APD 検出器の動作原理は、光電効果とアバランシェ増倍効果という 2 つのコアメカニズムに基づいており、プロセス全体は 2 つの主要な段階に分けられます。

APD検出器の中核は、半導体材料で構成されたPN接合です。対象となる光信号がPN接合の感光領域に照射されると、光子のエネルギーは半導体中の電子に吸収されます。光子のエネルギーが半導体のバンドギャップ幅よりも大きい場合、電子は価電子帯から伝導帯へとジャンプし、同時に価電子帯に正孔を残して「光生成キャリア」（電子正孔対）を形成します。このステップによって光信号から電気信号への予備的な変換が完了し、これは一般的なフォトダイオードの動作原理と一致しています。

これが APD 検出器を通常のデバイスと区別する鍵です。デバイスの PN 接合にブレークダウン電圧よりもはるかに高い逆バイアス電圧を印加することで、PN 接合内に非常に強い電界が発生します。第一段階で生成された光生成キャリアは、この強い電界の作用で加速され、非常に高い運動エネルギーを獲得します。高速で移動するキャリアは半導体格子内の原子と衝突し、格子原子から電子を叩き出して新しい電子正孔対を形成します。これらの新しく生成されたキャリアも強い電界によって加速され、他の原子と衝突し続け、さらに多くのキャリアを生成します。このプロセスは雪崩のようにキャリアの数が急増し、初期の弱い光生成電流が数千倍、あるいは数万倍に増幅されます。

アバランシェ増幅後の電気信号は、後続の回路処理によって正確に検出・読み取ることができます。この「光電変換＋アバランシェ増幅」という独自のメカニズムによって、 APD検出器 微弱光信号検出シナリオにおいて、通常の光電検出装置に比べて比類のない利点を発揮します。