Ein Fotodetektor wandelt einfallendes Licht in ein elektrisches Signal um. Es erkennt Photonen (Lichtteilchen) und erzeugt einen entsprechenden elektrischen Strom oder eine entsprechende Spannung. Zu den gebräuchlichsten Arten von Fotodetektoren gehören Fotodioden, Fototransistoren und Fotovervielfacherröhren, die jeweils nach ähnlichen Prinzipien arbeiten, jedoch unterschiedliche Empfindlichkeitsniveaus und anwendungsspezifische Eigenschaften aufweisen. Das Ausgangssignal eines Fotodetektors kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, beispielsweise zur Erfassung der Lichtintensität, zur Kommunikation, zur Bildgebung oder zur Messung in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen.
Das Funktionsprinzip eines Fotodetektors basiert auf dem photoelektrischen Effekt, bei dem Lichtphotonen mit dem Halbleitermaterial im Detektor interagieren. Wenn Photonen auf den Detektor treffen, übertragen sie ihre Energie auf Elektronen im Material, wodurch sich die Elektronen bewegen und einen elektrischen Strom erzeugen. Dieser Strom ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts, sodass der Fotodetektor die Lichtstärke genau messen oder das Vorhandensein von Licht erkennen kann.
Eine Fotodiode ist ein spezieller Fotodetektortyp, der nach dem gleichen Prinzip wie eine normale Diode funktioniert, jedoch lichtempfindlich ist. Es besteht aus einer Halbleiterstruktur mit PN-Übergang, die bei Lichteinwirkung einen Strom erzeugt. Wenn Photonen mit ausreichender Energie auf den Verarmungsbereich der Fotodiode treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare, die dann durch das elektrische Feld innerhalb der Diode getrennt werden, was zu einem Fotostrom führt. Dieser Photostrom ist direkt proportional zur einfallenden Lichtintensität.
Die Mechanismen der Photodetektion variieren je nach Art des Photodetektors. In Fotodioden und Fototransistoren erfolgt die Fotodetektion durch die Absorption von Photonen, wodurch Elektron-Loch-Paare entstehen, die zum elektrischen Strom beitragen. Photomultiplier-Röhren hingegen verwenden eine Kaskade von Elektronenvervielfachungsstufen, um sehr geringe Lichtmengen zu erkennen, was sie zu hochempfindlichen Detektoren für Anwendungen macht, die eine extreme Empfindlichkeit erfordern.
Die Begriffe „Fotodiode“ und „Fotodetektor“ werden oft synonym verwendet, es gibt jedoch einen kleinen Unterschied. Eine Fotodiode bezieht sich insbesondere auf ein Halbleiterbauelement, das Licht in einen elektrischen Strom umwandelt, typischerweise durch den fotoelektrischen Effekt innerhalb eines PN-Übergangs. Im Gegensatz dazu ist ein Fotodetektor ein weiter gefasster Begriff, der verschiedene Geräte umfasst, die Licht erkennen, einschließlich Fotodioden, Fototransistoren, Fotovervielfacherröhren und andere spezielle Detektoren, die in verschiedenen Anwendungen verwendet werden.
Zu den Eigenschaften eines Fotodetektors gehören Empfindlichkeit, Reaktionsgeschwindigkeit, Spektralbereich (Wellenlängenempfindlichkeit), Linearität (Ausgangsreaktion proportional zum Eingangslicht), Rauschpegel (unerwünschte elektrische Signale) und Dynamikbereich (Bereich der Lichtintensitäten, die genau erfasst werden können). Diese Eigenschaften bestimmen die Eignung eines Fotodetektors für bestimmte Anwendungen. Beispielsweise sind Fotodioden für ihre schnellen Reaktionszeiten und ihren großen Dynamikbereich bekannt, wodurch sie sich für Hochgeschwindigkeitskommunikation und Präzisionsmessanwendungen eignen, während Fotovervielfacherröhren sich durch die Erkennung sehr geringer Lichtstärken mit hoher Empfindlichkeit auszeichnen.