Le principe de fonctionnement d'un détecteur APD repose sur deux mécanismes principaux : l'effet photoélectrique et l'effet de multiplication par avalanche, et l'ensemble du processus peut être divisé en deux étapes clés.

Le cœur d'un détecteur APD est une jonction PN constituée de matériaux semi-conducteurs. Lorsqu'un signal optique cible irradie la zone photosensible de la jonction PN, l'énergie des photons est absorbée par les électrons du semi-conducteur. Si l'énergie des photons est supérieure à la largeur de la bande interdite du semi-conducteur, les électrons passent de la bande de valence à la bande de conduction, créant simultanément des trous dans la bande de valence et formant des paires électron-trou. Cette étape achève la conversion préliminaire des signaux optiques en signaux électriques, conformément au principe de fonctionnement des photodiodes classiques.

C’est ce qui distingue les détecteurs APD des dispositifs ordinaires. Une tension de polarisation inverse bien supérieure à leur tension de claquage est appliquée à la jonction PN du dispositif, créant un champ électrique extrêmement intense au sein de cette jonction. Les porteurs photogénérés lors de la première étape sont accélérés par ce champ électrique intense et acquièrent une énergie cinétique extrêmement élevée. Ces porteurs, se déplaçant à grande vitesse, entrent en collision avec les atomes du réseau semi-conducteur, arrachant des électrons à ces atomes et formant de nouvelles paires électron-trou. Ces nouveaux porteurs sont également accélérés par le champ électrique intense et continuent d’entrer en collision avec d’autres atomes, générant ainsi davantage de porteurs – un processus comparable à une avalanche, provoquant une augmentation brutale du nombre de porteurs et amplifiant de ce fait le faible courant photogénéré initial de plusieurs milliers, voire de dizaines de milliers de fois.

Après multiplication par avalanche, le signal électrique peut être détecté et lu avec précision grâce au traitement ultérieur du circuit. C'est ce mécanisme unique de « conversion photoélectrique + amplification par avalanche » qui permet Détecteurs APD démontrer des avantages incomparables par rapport aux dispositifs de détection photoélectriques ordinaires dans les scénarios de détection de signaux optiques faibles.