Fotodioda lawinowa (APD) działa w oparciu o zasadę efektu lawinowego, co zwiększa czułość tradycyjnych fotodiod. Kiedy fotony uderzają w materiał półprzewodnikowy APD, generują pary elektron-dziura. W standardowej fotodiodzie te pary elektron-dziura bezpośrednio przyczyniają się do fotoprądu. Natomiast w APD materiał półprzewodnikowy jest zaprojektowany tak, aby przyłożyć do niego wysokie napięcie polaryzacji wstecznej. To wysokie napięcie wytwarza silne pole elektryczne w obszarze wyczerpania APD.
Efekt lawinowy w fotodiodzie odnosi się do zjawiska, w którym pojedyncza para elektron-dziura generowana przez padające fotony może wywołać kaskadę wtórnych par elektron-dziura poprzez jonizację uderzeniową. Dzieje się tak, gdy elektron lub dziura uzyskuje wystarczającą energię kinetyczną z silnego pola elektrycznego, aby po zderzeniu z atomami półprzewodnika utworzyć dodatkowe pary elektron-dziura. Ten proces powielania znacznie zwiększa liczbę nośników ładunku, wzmacniając fotoprąd wytwarzany przez fotodiodę w odpowiedzi na światło.
Mechanizm działania fotodiody polega na tym, że jej materiał półprzewodnikowy pochłania fotony światła, które wzbudzają elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, tworząc pary elektron-dziura. Te nośniki ładunku przyczyniają się do fotoprądu, gdy fotodioda jest poddana polaryzacji w kierunku przewodzenia lub gdy wygenerowane nośniki są wymiatane przez zewnętrzne pole elektryczne pod wpływem polaryzacji zaporowej. Powstały prąd jest wprost proporcjonalny do natężenia padającego światła, dzięki czemu fotodiody są przydatne do wykrywania i przekształcania sygnałów świetlnych na sygnały elektryczne w różnych zastosowaniach.
Podstawowa różnica między fotodiodą a fotodiodą lawinową (APD) polega na ich czułości i możliwości wzmocnienia. Fotodioda działa liniowo, a generowany fotoprąd jest wprost proporcjonalny do natężenia padającego światła. Natomiast APD wykorzystuje efekt lawinowy do wewnętrznego wzmocnienia fotoprądu. To wzmocnienie pozwala APD osiągnąć wyższą czułość i niższą charakterystykę szumu w porównaniu ze standardowymi fotodiodami. APD są szczególnie przydatne w zastosowaniach wymagających dużej czułości, takich jak komunikacja optyczna dalekiego zasięgu i scenariusze wykrywania przy słabym oświetleniu.
Pomimo swoich zalet fotodiody lawinowe (APD) mają kilka wad. Istotną wadą jest wyższy poziom szumów w porównaniu ze standardowymi fotodiodami. Proces multiplikacji lawinowej wprowadza nadmierny szum w wyniku wahań statystycznych w samym procesie multiplikacji. Szum ten może ograniczać czułość wykrywania w niektórych zastosowaniach. Dodatkowo APD wymagają wyższego napięcia roboczego ze względu na potrzebę silnego pola elektrycznego do zainicjowania efektu lawinowego, co może skomplikować konstrukcję obwodu i zwiększyć zużycie energii. Inną kwestią jest ich koszt, ponieważ APD są zazwyczaj droższe niż tradycyjne fotodiody ze względu na ich specjalistyczną produkcję i wyższe wymagania dotyczące wydajności.
