Das Funktionsprinzip eines APD-Detektors basiert auf zwei Kernmechanismen: dem photoelektrischen Effekt und dem Lawinenvervielfachungseffekt. Der gesamte Prozess lässt sich in zwei Hauptphasen unterteilen.

Das Herzstück eines APD-Detektors ist ein PN-Übergang aus Halbleitermaterial. Trifft das optische Zielsignal auf die lichtempfindliche Zone des PN-Übergangs, wird die Energie der Photonen von Elektronen im Halbleiter absorbiert. Ist die Photonenenergie größer als die Bandlückenbreite des Halbleiters, springen Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband. Dabei entstehen Löcher im Valenzband und es bilden sich Elektron-Loch-Paare. Dieser Schritt schließt die Vorumwandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal ab und entspricht dem Funktionsprinzip herkömmlicher Fotodioden.

Dies ist der entscheidende Unterschied zwischen APD-Detektoren und herkömmlichen Bauelementen. An den PN-Übergang des Bauelements wird eine Sperrspannung angelegt, die weit über der Durchbruchspannung liegt. Dadurch entsteht ein extrem starkes elektrisches Feld im Inneren des PN-Übergangs. Die in der ersten Stufe erzeugten Ladungsträger werden durch das starke elektrische Feld beschleunigt und erreichen eine extrem hohe kinetische Energie. Die sich schnell bewegenden Ladungsträger kollidieren mit Atomen im Halbleitergitter, schlagen Elektronen aus den Gitteratomen heraus und bilden neue Elektron-Loch-Paare. Diese neu erzeugten Ladungsträger werden ebenfalls durch das starke elektrische Feld beschleunigt und kollidieren weiter mit anderen Atomen, wodurch weitere Ladungsträger entstehen – ein lawinenartiger Prozess, der die Anzahl der Ladungsträger sprunghaft ansteigen lässt und so den anfänglich schwachen photogenerierten Strom um Tausende oder sogar Zehntausende Male verstärkt.

Nach der Lawinenverstärkung kann das elektrische Signal präzise erfasst und durch nachfolgende Schaltungsverarbeitung ausgelesen werden. Es ist dieser einzigartige Mechanismus der „photoelektrischen Wandlung + Lawinenverstärkung“, der dies ermöglicht. APD-Detektoren um unvergleichliche Vorteile gegenüber herkömmlichen fotoelektrischen Detektionsgeräten in Szenarien zur Detektion schwacher optischer Signale aufzuzeigen.