論文の概要: NEGF Modeling of Impact Ionization in Semiconductor Avalanche Photodiodes for Quantum Networking
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.01244v1
- Date: Sat, 02 May 2026 04:52:39 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-05-05 20:33:49.663404
- Title: NEGF Modeling of Impact Ionization in Semiconductor Avalanche Photodiodes for Quantum Networking
- Title（参考訳）: 量子ネットワーク用半導体アバランシェフォトダイオードにおける衝撃イオン化のNEGFモデリング
- Authors: Colin Burdine, Nischal Binod Gautam, Enrique P. Blair,
- Abstract要約: 本稿では,非平衡グリーン関数(NEGF)の定式化に基づく原子論的量子輸送シミュレーションフレームワークを提案し,半導体アバランシェデバイスにおける衝撃電離をモデル化する。
この枠組みは、アバランシェのオンセットを過小評価する利用可能な状態と占有状態の解決によって、シリコン単光子アバランシェ検出器と量子ネットワーク受信機で使用されるアバランシェフォトダイオードの予測モデルへの道筋を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: We present an atomistic quantum transport simulation framework based on the Non-Equilibrium Green's Function (NEGF) formalism to model impact ionization in semiconductor avalanche devices, with direct relevance to near-term quantum networking applications. Conventional descriptions of avalanche breakdown rely predominantly on semiclassical simulation methods, such as local ionization coefficients, semiclassical carrier trajectories, or Monte Carlo sampling, all of which implicitly assume weak correlations and mean-field electronic interactions. These assumptions break down in nanoscale, high-field junctions where carrier multiplication emerges from strongly non-equilibrium, energy-resolved scattering processes. Our approach formulates impact ionization as a multi-particle self-energy within NEGF, enabling a non-perturbative, energy- and atomic orbital-resolved description of carrier multiplication directly from the device spectral function. This formulation captures strongly inelastic scattering processes beyond semiclassical approximations and is implemented in a matrix-based real-space representation suitable for nanoscale device modeling. Using a model semiconductor structure under high electric fields, we demonstrate the emergence of carrier multiplication and analyze its dependence on energy-resolved transport and nonequilibrium charge distributions. The framework provides insight into microscopic mechanisms governing avalanche processes and their impact on device performance. Our results establish a transport baseline for self-consistent calculations of the impact-ionization self-energy and carrier multiplication. By resolving the available and occupied states that underlie avalanche onset, this framework provides a route toward predictive modeling of silicon single-photon avalanche detectors and avalanche photodiodes used in quantum-network receivers.
- Abstract（参考訳）: 本稿では,非平衡グリーン関数(NEGF)の定式化に基づく原子論的量子輸送シミュレーションフレームワークを提案する。
従来の雪崩崩壊の描写は、局所電離係数、半古典的キャリア軌道、モンテカルロサンプリングといった半古典的なシミュレーション手法に大きく依存しており、これらは全て弱相関や平均場電子相互作用を暗黙的に仮定している。
これらの仮定は、キャリア乗算が強い非平衡エネルギー分解散乱過程から生じる、ナノスケールの高磁場接合で分解される。
提案手法は、NEGF内の多粒子自己エネルギーとしてイオン化に影響を与えることを定式化し、デバイススペクトル関数から直接、非摂動的、エネルギー的、原子的軌道分解によるキャリア乗算の記述を可能にする。
この定式化は半古典的近似を超えた強い非弾性散乱過程を捉え、ナノスケールデバイスモデリングに適した行列ベースの実空間表現として実装される。
高電場下でのモデル半導体構造を用いて、キャリア乗算の出現を実証し、エネルギー分解輸送と非平衡電荷分布への依存性を分析する。
このフレームワークは、雪崩プロセスを管理する顕微鏡メカニズムとそのデバイスパフォーマンスへの影響について洞察を提供する。
本研究は, 衝突電離自己エネルギーとキャリア乗算の自己整合計算のための輸送ベースラインを構築した。
この枠組みは、アバランシェのオンセットを過小評価する利用可能な状態と占有状態の解決によって、シリコン単光子アバランシェ検出器と量子ネットワーク受信機で使用されるアバランシェフォトダイオードの予測モデルへの道筋を提供する。
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