Een fotodetector werkt door invallend licht om te zetten in een elektrisch signaal. Het detecteert fotonen (lichtdeeltjes) en genereert een overeenkomstige elektrische stroom of spanning. De meest voorkomende soorten fotodetectoren zijn onder meer fotodiodes, fototransistoren en fotomultiplicatorbuizen, die elk volgens vergelijkbare principes werken, maar met verschillende niveaus van gevoeligheid en toepassingsspecifieke kenmerken. Het uitgangssignaal van een fotodetector kan voor verschillende doeleinden worden gebruikt, zoals het detecteren van de lichtintensiteit, communicatie, beeldvorming of metingen in wetenschappelijke en industriële toepassingen.
Het werkingsprincipe van een fotodetector draait om het foto-elektrische effect, waarbij lichtfotonen interageren met het halfgeleidermateriaal in de detector. Wanneer fotonen de detector raken, dragen ze hun energie over aan elektronen in het materiaal, waardoor de elektronen bewegen en een elektrische stroom genereren. Deze stroom is evenredig met de intensiteit van het invallende licht, waardoor de fotodetector nauwkeurig de lichtniveaus kan meten of de aanwezigheid van licht kan detecteren.
Een fotodiode is een specifiek type fotodetector die werkt op basis van hetzelfde principe als een gewone diode, maar is ontworpen om gevoelig te zijn voor licht. Het bestaat uit een halfgeleiderstructuur met PN-overgang die een stroom genereert bij blootstelling aan licht. Wanneer fotonen met voldoende energie het uitputtingsgebied van de fotodiode treffen, creëren ze elektronen-gatparen, die vervolgens worden gescheiden door het elektrische veld in de diode, wat resulteert in een fotostroom. Deze fotostroom is recht evenredig met de intensiteit van het invallende licht.
De mechanismen van fotodetectie variëren afhankelijk van het type fotodetector. In fotodiodes en fototransistoren vindt fotodetectie plaats door de absorptie van fotonen, waardoor elektronen-gatparen ontstaan die bijdragen aan de elektrische stroom. Fotomultiplicatorbuizen daarentegen gebruiken een cascade van elektronenvermenigvuldigingstrappen om zeer lage lichtniveaus te detecteren, waardoor ze zeer gevoelige detectoren zijn voor toepassingen die extreme gevoeligheid vereisen.
De termen “fotodiode” en “fotodetector” worden vaak door elkaar gebruikt, maar er is een subtiel verschil. Een fotodiode verwijst specifiek naar een halfgeleiderapparaat dat licht omzet in een elektrische stroom, meestal via het foto-elektrische effect binnen een PN-overgang. Een fotodetector is daarentegen een bredere term die verschillende apparaten omvat die licht detecteren, waaronder fotodiodes, fototransistors, fotovermenigvuldigingsbuizen en andere gespecialiseerde detectoren die in verschillende toepassingen worden gebruikt.
De eigenschappen van een fotodetector omvatten gevoeligheid, responssnelheid, spectraal bereik (golflengtegevoeligheid), lineariteit (uitvoerrespons evenredig met ingangslicht), ruisniveau (ongewenste elektrische signalen) en dynamisch bereik (bereik van lichtintensiteiten die het nauwkeurig kan detecteren). Deze eigenschappen bepalen de geschiktheid van een fotodetector voor specifieke toepassingen. Fotodiodes staan bijvoorbeeld bekend om hun snelle responstijden en groot dynamisch bereik, waardoor ze geschikt zijn voor snelle communicatie en nauwkeurige meettoepassingen, terwijl fotomultiplicatorbuizen uitblinken in het detecteren van zeer lage lichtniveaus met een hoge gevoeligheid.