APDS سیگنال را در طی فرایند آشکارسازی تقویت می کنند . آنها از یک اصل مشابه با لوله های «فوتومولتی پلایر» بکار رفته در آشکارسازی تشعشع هسته ای استفاده می کنند . در لوله فوتومولتی پلایر :
1-یک فوتون واحد که بر روی دستگاه عمل می کند یک الکترون واحد منتشر می نماید .
2-این الکترون از طریق یک میدان الکتریکی شتاب داده می شود تا اینکه به یک ماده هدف برخورد نماید .
3-این برخورد با هدف باعث «فیلتراسیون ضربه ای» می شود که الکترون‌های متعددی را منتشر می نماید .
4-این الکترون ها از طریق میدان شتاب می گیرند و به هدف دیگر می‌خورند .
5-این امر الکترون بیشتری منتشر می کند و فرایند تکرار می شود تا اینکه الکترون ها به یک عنصر جمع آوری کننده برخورد می کند . لذا ، طی مراحل گوناگون ، یک فوتون به یک جریان از الکترون ها منجر می شود .
APD ها با لوله های فوتومولتی پلایر فرق دارند . لوله‌های‌فوتومولتی پلایر
لوله های خلاء با هدف هایی قرار گرفته در طول لوله می باشند . APDها از همان اصول استفاده می کنند اما تکثیر در داخل خود ماده نیمه هادی صورت می گیرد . این فرایند در APD ها منجر به یک تقویت داخلی بین 7 تا 100 برابر می شود . هر دو الکترون و سوراخ ها (حفره ها) اکنون می توانند به فرایند تقویت کمک نمایند . با این حال ، یک مسئله کوچک وجود دارد . با نگاه به آشکار می شود که وقتی یک الکترون یک اتم را یونیزه می‌کند یک الکترون اضافی و حفره اضافی تولید می شود . الکترون به طرف چپ عکس حرکت می کند و حفره به سمت راست می رود . اگر حفره در اتم یونیزه شود یک الکترون (و یک حفره) آزاد می کند و الکترون به چپ حرکت می کند و دوباره شروع می نماید !
اگر سوراخ ها و حفره ها دارای فرصت برابر برای یونیزاسیون باشند می‌توانیم یک بهمن کنترل نشده بدست آوریم که هرگز متوقف نمی شود ! بنابراین وسایل طوری ساخته می شوند که یکی از حاملان بار دارای یک استعداد و آمادگی بیشتری برای یونیزاسیون نسبت به دیگری باشند .
نتیجه فرایند فوق آن است که یک فوتون وارد شونده منفرد بتواند منجر به تولید بین 10 تا 100 و یا چندین جفت حفره - الکترون شود . موارد مهم درباره دستگاه فوق الذکر آن است که ناحیه تکثیر خیلی کوچک است و جذب داخل لایه n بجای نزدیک به اتصال رخ دهد . یعنی ، جذب و تکثیر در نواحی جداگانه ای صورت می گیرند . شکل 103 را ملاحظه کنید . دو عامل مهم وجود دارد : 1-استحکام میدان الکتریکی مورد نیاز خیلی بالا است() . در حضور چنین میدان قوی ای ، نقائص در ناحیه تکثیر (مثل عدم انطباق های شبکه ای ، ناخالصی ها و حتی تغییرات در غلظت دو پانت) می توانند تولید نواحی کوچکی از تکثیر کنترل شده موسوم به «میکروپلازماسی» نمایند . برای کنترل این پدیده ناحیه تکثیر لازم است کوچک باشد . برای ایمنی این امر، حلقه محافظ فوق الذکر نصب شده است . در اطراف لبه های ناحیه تکثیر شما می توانید بی نظمی هایی و نقائصی را در ماده ببینید . بدون حلقه محافظ این موارد بصورت محل هایی برای میکروپلازماس عمل می کنند . بعلاوه ، برای ایجاد یک میدان الکتریکی با استحکام لازم ما لازم است یک ولتاژ بایاس کاربردی بکار بریم که با ضخامت ناحیه تکثیر افزایش می یابد . (برای دو برابر ضخامن ناحیه - دو برابر ولتاژ کاربردی مورد نیاز خواهد بود ) . دمای ولتاژها (ولتاژهای بالاتر از 12 ولت) گران قیمت بوده و به سختی در دستگاه‌های نیمه هادی کنترل می شوند و بنابراین سعی می کنیم ولتاژ کاربردی را حداقل نماییم ) . یک APD یک دیود P-i-n با یک بایاس معکوس بسیار بالاست . یک بایاس معکوس 50 ولت برای این دستگاه ها در مقایسه با دیودهای p-i-n بکار رفته در مورد فوتوکانداکتیو ، مناسب است که بایاس معکوس شده برای حدود 3 ولت است .(یا کمتر)
در گذشته ، APD ها در بازار به بایاس معکوس چند صد ولت نیاز داشتند اگرچه اخیراً ولتاژهای کمتری بدست آمده اند . تفاوت ساختاری اصلی بین APD و یک دیود p-i-n در ناحیه «i» است که نام گذاری مجدد لایه p گرفته است . و بویژه ضخیم تر از یک ناحیه است و دستگاه برای تضمین یک میدان الکتریکی یکنواخت در کل لایه طراحی می شود . حلقه محافظ در این شکل برای جلوگیری از تعامل (اندرکش) های ناخواسته در طرف لبه های ناحیه تکثیر می باشد . دستگاه به این صورت عمل می کند :
فوتون های ورودی عمدتاً از اتصال n-p عبور می کنند (چون خیلی نازک است ) و در لایه ها جذب می شوند . این جذب کننده یک الکترون آزاد در نوار باند هادی تولید می کند و یک حفره در باند والانس (ظرفیت) تولید می گردد .
پتانسیل الکتریکی در لایه n برای جذب الکترون ها به طرف یک کنتاکت و حفره به طرف کنتاکت دیگر ، کافی است . در شکل الکترون ها به طرف لایه n+ در بالای دستگاه جذب می شوند زیرا وقتی دستگاه بایاس معکوس می‌شود بار مثبت را حمل می کند . گرادیان پتانسیل در لایه n برای حامل های کاربرها بار کافی نیست و آنها نمی توانند انرژی کافی برای انجام تکثیر را بدست آورند .
اطراف اتصال بین لایه های n+ و p میدان الکتریکی بقدری شدید است که حاملان بار (در این مورد فقط الکترون ها) شتاب سریع می گیرند و انرژی را بر می دارند . وقتی این الکترون ها (در حال حرکت با انرژی زیاد) با سایر اتم‌ها در شبکه برخورد می کنند جفت های حفره - الکترون جدید تولید می‌‌کنند . این فرایند یونیزاسیون ضربه ای نام دارد و حاملان بار منفی که جدیداً آزاد شده اند(الکترون ها و حفره ها هر دو) شتاب می گیرند (در جهات مخالف) و ممکن است مجدداً برخورد نمایند .
بدلایل فوق ناحیه اتصال خیلی نازک است و نمی تواند فوتون های برخوردی بسیاری را جذب نماید .
بسیاری از APD ها طوری طراحی می شوند که لایه تهی سازی در کل ناحیه p تا مرز ناحیه n ادامه می یابد . مواد مختلفی برای هر کدام از سه نوار باند طول موج مهم بکار برده می شوند :