根据光电二极管的 I-V 特性，可分为太阳能电池模式、光电二极管模式、雪崩模式、盖革模式等几种工作状态，下图是光电二极管分别在明暗条件下的 I-V 曲线。盖革模式下的光电二极管的增益理论上是无穷的，所以经常被用来进行单光子探测，也称作单光子雪崩二极管（SPAD）。

在盖革模式下，雪崩光电二极管吸收光子会产生电子-空穴对，在高反偏电压产生的强电场作用下电子-空穴对被加速，从而获得足够的能量，然后与晶格发生碰撞，形成连锁效应，结果形成大量的电子-空穴对，引发雪崩现象，电流成指数增长。此时 SPAD 的增益理论上是无穷的，单个光子就能够使 SPAD 的光电流达到饱和。

SPAD 的特征参数有很多，主要包括光子探测效率、雪崩倍增因子、响应度、暗计数等。

1）光子探测效率：光子入射 SPAD 后激发雪崩并被检测到的概率称为光子探测效率(Photon Detection Efficiency)，是代表 SPAD 性能的一个重要参数，定义为输出的光生电子-空穴对数目与入射总光子数的比值。

理想情况下的光子探测效率为 1，然而实际上并不是所有的光子都可以引发雪崩并被检测到，SPAD 表面的反射和吸收不完全都会影响到光子探测效率。

光子探测效率η：

其中 P0为入射光功率，IP为光生电子-空穴对形成的光电流，h 为普朗克常量，ν 为

入射光子频率，e 是电子电量。

2）雪崩倍增因子：雪崩倍增因子是指 SPAD 发生雪崩击穿后的电流与雪崩击穿前的电流的比值，即SPAD 的电流增益。雪崩倍增因子在理论上是无穷大的，在雪崩击穿后非常短的时间内电流就能够达到饱和，雪崩倍增因子是由 SPAD 的反向偏压以及结构决定的，实际测试中，通常能达到十万以上。

3）响应度：用来表示入射光产生的光电流和入射光的功率之间的关系，即光电流与入射光的功率的比值。

其中 e 为电子电量，η为光子探测效率，λ 为光子波长，h 为普朗克常量，ν 为入射光子频率，c 为光速。

入射光子波长影响单光子雪崩二极管的响应度，不同材料的半导体对不同波长的光信号有不同的吸收效果，例如，硅的吸收光谱范围是 400nm 到 1100nm，在短波段具有较高的响应度。而 InGaAs 吸收光谱范围是 900 nm 到 1700 nm，在长波段具有较高的响应度。所以在设计 SPAD 时，要根据所探测光子的波段来选择合适的半导体材料，以获得较高的响应度。

4）暗计数：暗计数是指在单光子探测领域，杂散光（非信号光）和电噪声也会有被单光子探测器认为是有效光信号的可能性，在此领域内，这种误判被称作暗计数，是 SPAD 性能的一个重要参数。通常情况下，热噪声和隧穿效应都会产生暗载流子，这是主要的噪声来源，暗载流子同样会引发 SPAD 雪崩，然而检测电路无法将其和入射光引发的雪崩区别开来，从而对他们同样进行计数，因此形成了虚假的光子计数，所以，想办法减少暗计数是 SPAD 设计过程中很重要的一点。

工作环境温度和反偏电压的大小直接影响暗计数， 通常在较低温度的环境下，对SPAD进行测试，来减少由热效应产生的暗载流子。降低偏置电压也能较少暗计数，可是降低偏置电压又会降低探测效率，因此要选择合适的偏置电压，从而在暗计数和探测效率之间折中。