SPAD 是一種基於 p-n 接面反向偏壓操作的半導體器件，工作電壓超過接面崩潰電壓(維基百科解釋)。在這個偏壓下電場非常高，以至於注入空乏區的單個電荷載流子可以觸發自持雪崩。電流可迅速上升到毫安等級。如果主要載流子是因受光產生的光脈衝電流，則此脈衝的前沿處即為檢測到光子的到達時間[此處會有皮秒抖動現象(Jitter)]。
SPAD有下列幾個重要的特性定義參數，包含：偏壓區域和電流電壓特性、Dark Count Rate(DCR)、Jitter、Photon-detection efficiency (PDE)、後脈衝(Afterpulsing)等，以下將會分別介紹。
半導體p-n接面可以在不同的工作區域被偏壓操作。對於正常的單向二極體操作，在導通期間操作在正向偏壓區域和施加正向電壓。當以低反向偏壓工作時，p-n接面可以作為單一增益光電二極體工作。隨著反向偏壓的增加，可以通過載流子倍增產生一些內部增益，從而使光電二極體作為雪崩光電二極體 (APD) 運行，具有穩定的增益和對光輸入信號的線性響應。然而，隨著反向偏壓繼續增加，當 p-n接面上的電場強度達到臨界位準時，p-n接面會崩潰。由於該電場是由接面上的偏壓引起的，因此將其表示為崩潰電壓 VBD。
SPAD 使用高於崩潰電壓的超額偏壓Vex進行反向偏壓，但需避免過多的超額偏壓使SPAD損壞。因此，總偏壓 (VBD+Vex) 超過了崩潰電壓，以至於“在這個偏壓條件下，電場非常高，使注入空乏區的單個電荷載流子可以引發自持雪崩，此條件稱為”蓋格模式”(Geiger mode)。可透過(I-V) 特性量測來了解SPAD導通的行為模式。
除了光子產生的載流子，熱產生的載流子（透過半導體內的產生-複合過程）也可以引發雪崩過程。因此，SPAD可以在完全黑暗環境下觀察輸出脈衝。每秒產生的平均計數稱為暗計數率 (DCR)，是定義此偵測器噪聲的關鍵參數。
因此，為了作為單光子偵測器工作，SPAD 必須能夠在足夠長的時間內保持高於崩潰的偏差（例如低於每秒 1000 次計數，cps）
量測光子到達的時間可使用SPAD在蓋格模式下崩潰的前沿來做計算。光子到達的測量方式主要是透過兩個方式。首先是光子本身到達時間的統計波動，這是光的基本屬性。第二個是 SPAD 內偵測機制的統計變化，這是由以下4個參數所引；1. 光子吸收深度，2. 到有源p-n接面的擴散時間，3. 雪崩的累積統計數據和4. 檢測的抖動和定時電路。
PDE 是不同波長下的入射光子觸發雪崩的概率。除了一般決定半導體光電二極體性能的物理現象外，其他物理效應在 SPAD 中也很重要。雪崩觸發概率取決於器件結構和超額偏壓VE條件，即反向偏壓之間的差異。
理論和實驗研究表明，這種概率首先隨著低VE線性增加，然後在高VE時趨於飽和。
另一種可以觸發雪崩的效應被稱為後脈衝(afterpulsing)。當雪崩發生時，PN接面充滿電荷載流子，價帶和導帶之間的陷阱能階被佔據的程度遠大於電荷載流子的熱平衡分佈中預期的程度。在 SPAD 被截止後，陷阱能階中的電荷載流子有可能接收到足夠的能量將其從陷阱中釋放出來並將其提升到導帶，這會觸發新的雪崩。因此不同的SPAD製程及品質，可以從單個起源的熱或光產生事件中產生大量額外的脈衝發現。
關於SPAD應用與基本名詞解釋可見第一篇文章(從ADAS應用到關鍵元件 – SPAD扮演的重要角色)介紹。
