Eine Fotodiode erkennt Licht nach dem Prinzip der Umwandlung von Photonen (Lichtteilchen) in elektrischen Strom. Wenn Photonen ausreichender Energie auf das Halbleitermaterial der Fotodiode treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare im Verarmungsbereich des Geräts. Dieser Prozess findet statt, weil die Energie der einfallenden Photonen ausreicht, um die kovalenten Bindungen innerhalb des Halbleitergitters aufzubrechen und so freie Elektronen und Löcher zu erzeugen. Das elektrische Feld innerhalb der Verarmungsregion trennt dann diese Ladungsträger, was zu einem Photostrom führt, der proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist. Dieser Fotostrom kann verstärkt und verarbeitet werden, um das Vorhandensein, die Intensität und die Eigenschaften des einfallenden Lichts zu erkennen.
Fotodioden wurden speziell für die Lichterkennung entwickelt, indem ihr Halbleitermaterial und ihre Halbleiterstruktur optimiert wurden. Sie bestehen typischerweise aus einem pn-Übergang oder einem PIN-Übergang (p-Typ, intrinsisch, n-Typ), wobei der intrinsische Bereich eine effiziente Absorption von Photonen ermöglicht. Die Materialzusammensetzung wird basierend auf der Wellenlänge des zu detektierenden Lichts ausgewählt und gewährleistet eine hohe Quanteneffizienz – das Verhältnis der in Elektron-Loch-Paare umgewandelten Photonen. Die Fotodiode ist normalerweise in einem Gehäuse untergebracht, das externe Störungen minimiert und die Lichtempfindlichkeit erhöht. In einigen Fällen werden Antireflexionsbeschichtungen aufgetragen, um die Lichtabsorption zu maximieren und die Leistung in bestimmten Wellenlängenbereichen zu verbessern.
Das Prinzip eines Fotodiodendetektors beruht auf seiner Fähigkeit, einfallendes Licht in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Wenn Photonen auf die aktive Fläche der Fotodiode treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare im Halbleitermaterial. Das eingebaute elektrische Feld aufgrund der an der Fotodiode angelegten Sperrvorspannung beschleunigt diese Ladungsträger in Richtung der jeweiligen Elektroden und erzeugt so einen Fotostrom. Dieser Strom ist direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts, wodurch die Fotodiode als empfindlicher Detektor für verschiedene optische Signale fungieren kann.
Eine Fotodiode erkennt optische Signale, indem sie Lichtphotonen in elektrischen Strom umwandelt. In optischen Kommunikationssystemen werden beispielsweise datentragende optische Signale von einer Fotodiode empfangen. Das einfallende Licht moduliert den Photostrom entsprechend dem übertragenen Signal. Die Fähigkeit der Fotodiode, schnell auf Änderungen der Lichtintensität zu reagieren, ermöglicht es ihr, optische Signale präzise zu erkennen und zu demodulieren und sie in elektrische Signale umzuwandeln, die über elektronische Schaltkreise weiterverarbeitet und übertragen werden können.
Fotodioden messen die Lichtintensität, indem sie den als Reaktion auf einfallendes Licht erzeugten Fotostrom quantifizieren. Die Intensität des Photostroms ist direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. Typischerweise ist die Fotodiode mit einer Strom-Spannungs-Wandlerschaltung oder einem Transimpedanzverstärker verbunden, der den Fotostrom in ein messbares Spannungssignal umwandelt. Durch die Kalibrierung der Beziehung zwischen dem Fotostrom und der Intensität des einfallenden Lichts können Fotodioden die Lichtstärke in einem breiten Anwendungsspektrum, einschließlich Photometrie, Spektroskopie und optischer Sensorik, genau messen und quantifizieren.