Принцип работы детектора APD основан на двух основных механизмах: фотоэлектрическом эффекте и эффекте лавинного умножения, а весь процесс можно разделить на два ключевых этапа.

Основой детектора лавинного фотодиода (APD) является p-n-переход, изготовленный из полупроводниковых материалов. При воздействии целевого оптического сигнала на фоточувствительную область p-n-перехода энергия фотонов поглощается электронами полупроводника. Если энергия фотонов превышает ширину запрещённой зоны полупроводника, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, одновременно оставляя дырки в валентной зоне и образуя пары «фотогенерированных носителей» (электронно-дырочные пары). На этом этапе завершается предварительное преобразование оптических сигналов в электрические, что соответствует принципу работы обычных фотодиодов.

Это ключевое отличие детекторов APD от обычных устройств. К p-n-переходу устройства прикладывается обратное напряжение смещения, значительно превышающее напряжение пробоя, что создаёт внутри него чрезвычайно сильное электрическое поле. Фотогенерированные носители, образовавшиеся на первом этапе, ускоряются под действием сильного электрического поля, приобретая чрезвычайно высокую кинетическую энергию. Высокоскоростные движущиеся носители сталкиваются с атомами полупроводниковой решётки, выбивая электроны из атомов решётки и образуя новые электронно-дырочные пары. Эти вновь образовавшиеся носители также ускоряются сильным электрическим полем и продолжают сталкиваться с другими атомами, генерируя новые носители — этот процесс подобен лавине, вызывая резкое увеличение числа носителей, тем самым усиливая исходный слабый фотогенерированный ток в тысячи или даже десятки тысяч раз.

После лавинного умножения электрический сигнал может быть точно обнаружен и прочитан в ходе последующей обработки схемы. Именно этот уникальный механизм «фотоэлектрического преобразования + лавинного усиления» позволяет Детекторы APD продемонстрировать несравненные преимущества перед обычными фотоэлектрическими устройствами обнаружения в сценариях обнаружения слабых оптических сигналов.