Het voorspannen van een fotodiode houdt in dat er een spanning op wordt toegepast op een manier die de prestaties voor de detectie van lichtsignalen optimaliseert. Eén veelgebruikte methode is om de fotodiode in tegengestelde richting in te stellen. Omgekeerde voorspanning betekent het aanleggen van een negatieve spanning op de p-n-overgang van de fotodiode, waarbij de p-type halfgeleider is verbonden met de negatieve pool van de voeding en de n-type halfgeleider is verbonden met de positieve pool. Deze omgekeerde bias creëert een uitputtingsgebied binnen de fotodiode, dat groter wordt wanneer fotonen met voldoende energie de fotodiode raken, waardoor elektron-gatparen ontstaan. Deze paren worden vervolgens door het elektrische veld door het uitputtingsgebied geveegd, waardoor een fotostroom wordt gegenereerd die evenredig is aan de intensiteit van het invallende licht.
Het omgekeerd voorspannen van een fotodiode biedt verschillende voordelen. Het vergroot de breedte van het uitputtingsgebied, wat de efficiëntie verbetert van het omzetten van invallende fotonen in elektrische stroom. Dit resulteert in een hogere gevoeligheid en snellere responstijden, waardoor spervoorgespannen fotodiodes geschikt zijn voor toepassingen die snelle detectie van zwakke optische signalen vereisen, zoals in optische communicatie en fotodetectoren die in wetenschappelijke instrumenten worden gebruikt.
Een fotodiode werkt op basis van het principe van het fotovoltaïsch effect, waarbij inkomende fotonen met voldoende energie (groter dan de bandgap-energie van het halfgeleidermateriaal) elektron-gatparen genereren binnen het uitputtingsgebied van de fotodiode. Het uitputtingsgebied, gecreëerd door het aanleggen van een omgekeerde voorspanning over de pn-overgang, dient om deze elektron-gatparen te scheiden en een potentiaalverschil te creëren dat de opwekking van een fotostroom mogelijk maakt. Deze fotostroom is recht evenredig met de intensiteit van het invallende licht en geeft een directe maatstaf voor de sterkte van het lichtsignaal.
Donkerstroom in een fotodiode verwijst naar de kleine stroom die zelfs bij afwezigheid van licht door het apparaat stroomt. Deze donkerstroom wordt doorgaans veroorzaakt door thermisch gegenereerde elektronen-gatparen in het halfgeleidermateriaal van de fotodiode. Om de donkerstroom te verminderen, kunnen verschillende technieken worden gebruikt. Eén effectieve methode is het verlagen van de bedrijfstemperatuur van de fotodiode, waardoor de thermische generatie van elektronen-gatparen wordt verminderd. Dit wordt vaak bereikt door thermo-elektrische koelers of door de fotodiode in een temperatuurgecontroleerde omgeving te plaatsen. Bovendien kan het selecteren van fotodiodes met lagere donkerstroomspecificaties en het zorgvuldig ontwerpen van de circuits om thermische ruis te minimaliseren de impact van donkerstroom op de prestaties van de fotodiode verder verminderen.