يعتمد مبدأ عمل كاشف APD على آليتين أساسيتين: التأثير الكهروضوئي وتأثير التضاعف الانهياري، ويمكن تقسيم العملية بأكملها إلى مرحلتين رئيسيتين.

يتكون جوهر كاشف APD من وصلة PN مصنوعة من مواد شبه موصلة. عندما تُسلط الإشارة الضوئية المستهدفة على المنطقة الحساسة للضوء في وصلة PN، تمتص الإلكترونات في شبه الموصل طاقة الفوتونات. إذا كانت طاقة الفوتون أكبر من عرض فجوة النطاق لشبه الموصل، فإن الإلكترونات ستنتقل من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، تاركةً فجوات في نطاق التكافؤ في الوقت نفسه، ومُشكّلةً أزواجًا من "حاملات الشحنة الضوئية" (أزواج الإلكترون-الفجوة). تُكمل هذه الخطوة التحويل الأولي للإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية، وهو ما يتوافق مع مبدأ عمل الثنائيات الضوئية العادية.

هذا هو المفتاح الذي يميز كاشفات الانهيار الضوئي (APD) عن الأجهزة العادية. يُطبَّق جهد انحياز عكسي أعلى بكثير من جهد الانهيار عبر وصلة PN للجهاز، مما يُولِّد مجالًا كهربائيًا قويًا للغاية داخل هذه الوصلة. تتسارع حاملات الشحنة الضوئية المتولدة في المرحلة الأولى بفعل هذا المجال الكهربائي القوي، لتكتسب طاقة حركية عالية للغاية. تصطدم هذه الحاملات المتحركة بسرعة عالية بذرات الشبكة البلورية لأشباه الموصلات، فتُحرِّر الإلكترونات من ذرات الشبكة وتُشكِّل أزواجًا جديدة من الإلكترونات والفجوات. تتسارع هذه الحاملات المتولدة حديثًا أيضًا بفعل المجال الكهربائي القوي، وتستمر في الاصطدام بذرات أخرى، مُولِّدةً المزيد من الحاملات - تُشبه هذه العملية الانهيار الجليدي، مما يؤدي إلى زيادة عدد الحاملات بشكل حاد، وبالتالي تضخيم التيار الضوئي الأولي الضعيف آلاف أو حتى عشرات الآلاف من المرات.

بعد عملية التضخيم الانهياري، يمكن الكشف عن الإشارة الكهربائية وقراءتها بدقة من خلال معالجة الدائرة اللاحقة. هذه الآلية الفريدة المتمثلة في "التحويل الكهروضوئي + التضخيم الانهياري" هي التي تسمح كاشفات APD لإظهار مزايا لا تضاهى مقارنة بأجهزة الكشف الكهروضوئية العادية في سيناريوهات الكشف عن الإشارات الضوئية الضعيفة