随着芯片攻击技术的发展，存储于ROM等非易失介质中的密钥很容易通过版图反向工程和微探测技术等物理攻击方式被截取，导致整个加密系统被破坏。因此亟需一种新型的安全密钥生成和存储技术。目前，物理不可克隆函数（PUF）正在逐步的被应用于安全密钥的生成和存储领域，PUF代替密钥存储于非易失介质中的传统方法的主要优势在于它很难被复制和攻击。本文以唯一性、可靠性和安全性三种特性为衡量指标，对面向安全密钥生成和存储应用的PUF关键技术进行深入的研究。　　针对增强可靠性的目标，首先量化计算 PUF单元的延时特性，提出利用量化特性对温度和电源电压求导获取相关设计量最优值的增强 PUF单元稳定性的方法；然后提出一种新型的PUF体系结构，包括工艺敏感电路、偏差放大电路和偏差比较电路，通过引入偏差放大电路，放大微弱的物理特性偏差，减小其对偏差比较电路的比较精度和各种噪声的敏感性，从而使得比较电路能够产生稳定的输出，提高了 PUF的可靠性；最后实现了新型的举手表决机制电路，通过对偏差比较器的输出进行多次采样，按照样本的0/1分布概率判决输出稳定的ID，同时提出采样次数、判决算法和比较阈值三个因素决定举手表决机制生成稳定ID的能力的结论。　　针对增强唯一性的目标，首先通过研究器件尺寸和宽长比与器件 mismatch特性之间的关系，提出增强PUF单元工艺敏感性的方法；然后设计了全新的ID扩散算法，保证扩散后的ID在一个大的数值统计空间内满足均匀分布，减小不同ID间碰撞的概率，增强PUF的唯一性。　　针对增强安全性的目标，研究了对称布局和等长走线、以及特殊的顶层S型网格布线等版图实现技术。针对版图反向工程的物理攻击方式，研究对称布局和等长走线的版图实现策略，提高 PUF的安全性；针对微探测技术的物理攻击方式，提出了顶层S型网格布线方案，有效的抵抗攻击。　　基于这些关键技术的研究分析，在0.18μm CMOS工艺下，我们设计实现四种新型的PUF，包括基于电流饥饿型延迟单元的PUF、基于晶闸管型延迟单元的PUF、基于电阻-二极管型分压单元的PUF和基于纯电阻桥式网络型分压单元的PUF。通过对仿真和测试结果的统计分析比较，分别从唯一性、可靠性和安全性等角度衡量每种PUF的性能。