Um eine Fotodiode vorzuspannen, muss an sie eine Spannung angelegt werden, die ihre Leistung zur Erkennung von Lichtsignalen optimiert. Eine übliche Methode besteht darin, die Fotodiode in Sperrrichtung vorzuspannen. Unter Sperrvorspannung versteht man das Anlegen einer negativen Spannung an den pn-Übergang der Fotodiode, wobei der p-Typ-Halbleiter mit dem Minuspol der Stromversorgung und der n-Typ-Halbleiter mit dem Pluspol verbunden ist. Diese Sperrvorspannung erzeugt einen Verarmungsbereich innerhalb der Fotodiode, der sich erweitert, wenn Photonen ausreichender Energie auf die Fotodiode treffen und Elektron-Loch-Paare erzeugen. Diese Paare werden dann vom elektrischen Feld über die Verarmungsregion geführt und erzeugen einen Photostrom, der proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist.
Das Vorspannen einer Fotodiode in Sperrrichtung bietet mehrere Vorteile. Es vergrößert die Breite des Verarmungsbereichs, was die Effizienz der Umwandlung einfallender Photonen in elektrischen Strom erhöht. Dies führt zu einer höheren Empfindlichkeit und schnelleren Reaktionszeiten, wodurch sich in Sperrrichtung vorgespannte Fotodioden für Anwendungen eignen, die eine Hochgeschwindigkeitserkennung schwacher optischer Signale erfordern, wie etwa in der optischen Kommunikation und Fotodetektoren in wissenschaftlichen Instrumenten.
Eine Fotodiode basiert auf dem Prinzip des fotovoltaischen Effekts, bei dem einfallende Photonen ausreichender Energie (größer als die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials) Elektron-Loch-Paare innerhalb des Verarmungsbereichs der Fotodiode erzeugen. Der Verarmungsbereich, der durch Anlegen einer umgekehrten Vorspannung an den pn-Übergang entsteht, dient dazu, diese Elektron-Loch-Paare zu trennen und eine Potentialdifferenz zu erzeugen, die die Erzeugung eines Photostroms ermöglicht. Dieser Fotostrom ist direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts und liefert ein direktes Maß für die Stärke des Lichtsignals.
Unter Dunkelstrom in einer Fotodiode versteht man den kleinen Strom, der auch ohne Licht durch das Gerät fließt. Dieser Dunkelstrom wird typischerweise durch thermisch erzeugte Elektron-Loch-Paare im Halbleitermaterial der Fotodiode verursacht. Um den Dunkelstrom zu reduzieren, können verschiedene Techniken eingesetzt werden. Eine wirksame Methode besteht darin, die Betriebstemperatur der Fotodiode zu senken, wodurch die thermische Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren verringert wird. Dies wird häufig durch thermoelektrische Kühler oder durch die Unterbringung der Fotodiode in einer temperaturkontrollierten Umgebung erreicht. Darüber hinaus kann die Auswahl von Fotodioden mit niedrigeren Dunkelstromspezifikationen und die sorgfältige Gestaltung der Schaltung zur Minimierung von thermischem Rauschen den Einfluss des Dunkelstroms auf die Leistung der Fotodiode weiter reduzieren.