Режимом счета фотонов называется регистрация слабых световых сигналов, при которой подсчитывается количество поглощенных фотонов. Некоторые виды фотодетекторов настолько чувствительны, что позволяют обнаружить одиночные фотоны, давая возможность регистрировать отдельные поглощения фотона, а не интенсивность оптической энергии. Кроме того, можно зарегистрировать совпадения между двумя или несколькими фотодетекторами, что важно для многих экспериментов в квантовой оптике.
Детекторы для счета фотонов имеют характерные свойства, которые несколько отличаются от других фотодетекторов. К наиболее важным из этих свойств относится минимальный уровень регистрируемого сигнала, максимальная скорость счета, квантовая эффективность, временное колебание.
SPAD фотодиод представляет собой смещенный в обратном направлении p-n-переход, к которому приложено напряжение выше напряжения пробоя. Это означает, что электрическое поле в обедненной области настолько высоко, что возникает процесс лавинного умножения и протекающий ток стабилен даже при возникновении только одной электронно-дырочной пары, например, в результате поглощения одного фотона.
После того как регистрируемый фотон генерирует лавинный процесс, протекающий ток стремительно растет с наносекундным или субнаносекундном временем нарастания до устойчивого значения в диапазоне нескольких миллиампер, которые можно легко дискриминировать. Если первичный носитель возникает под действием фотогенерации, то передней фронт импульса лавины отмечает время прихода регистрируемого фотона. После возникновения лавины ток продолжает протекать до тех пор, пока лавина не гасится за счет снижения напряжения смещения до напряжения пробоя или ниже. Затем напряжение смещения восстанавливается в целях выявления другого фотона. Эта операция требует подходящей электрической схемы, которую обычно называют схема гашения. Из-за сходства с поведением счетчиков Гейгера-Мюллера, режим работы SPAD фотодиодов называются "режимом Гейгера".
Как и любые другие фотоприемники SPAD фотодиоды имеют свой собственный внутренний шум, который из-за тепловой генерации носителей создает импульсы тока даже при отсутствии освещения, называемые темновым счетом. Скорость этого темнового счета возрастает с увеличением температуры, а также перенапряжения. Вторичный источник шума, называемый послеимпульсы, может существенно повысить общую темновую скорость счета. Этот процесс вызван носителями захваченными во время образования лавины и освобожденными после ее гашения. Эти носители ускоряются сильным электрическим полем pn-перехода и могут вызывать возникновение другой лавины, создавая послеимпульсы коррелирующие с предыдущим импульсом лавины.
