O princípio de funcionamento de um detector APD baseia-se em dois mecanismos principais: o efeito fotoelétrico e o efeito de multiplicação por avalanche, e todo o processo pode ser dividido em duas etapas principais.

O núcleo de um detector APD é uma junção PN feita de materiais semicondutores. Quando o sinal óptico alvo incide sobre a região fotossensível da junção PN, a energia dos fótons é absorvida pelos elétrons no semicondutor. Se a energia do fóton for maior que a largura da banda proibida do semicondutor, os elétrons saltarão da banda de valência para a banda de condução, deixando lacunas na banda de valência e formando pares de "portadores fotogerados" (pares elétron-lacuna). Esta etapa completa a conversão preliminar dos sinais ópticos em sinais elétricos, o que é consistente com o princípio de funcionamento dos fotodiodos comuns.

Este é o princípio fundamental que distingue os detectores APD dos dispositivos comuns. Uma tensão de polarização reversa muito superior à sua tensão de ruptura é aplicada à junção PN do dispositivo, criando um campo elétrico extremamente forte no interior da junção. Os portadores fotogerados na primeira etapa são acelerados pela ação desse forte campo elétrico, adquirindo uma energia cinética extremamente alta. Esses portadores, em alta velocidade, colidem com os átomos da rede semicondutora, arrancando elétrons dos átomos da rede e formando novos pares elétron-lacuna. Esses portadores recém-gerados também são acelerados pelo forte campo elétrico e continuam a colidir com outros átomos, gerando mais portadores — um processo semelhante a uma avalanche, que faz com que o número de portadores aumente drasticamente, amplificando a fraca corrente fotogerada inicial em milhares ou até dezenas de milhares de vezes.

Após a multiplicação por avalanche, o sinal elétrico pode ser detectado com precisão e lido por meio de processamento subsequente no circuito. É esse mecanismo exclusivo de "conversão fotoelétrica + amplificação por avalanche" que permite Detectores APD Demonstrar vantagens incomparáveis em relação aos dispositivos de detecção fotoelétrica comuns em cenários de detecção de sinais ópticos fracos.