Fotodioda to urządzenie półprzewodnikowe, które przekształca światło w prąd elektryczny. Działa w oparciu o zasadę efektu fotowoltaicznego, podczas którego absorpcja fotonów (cząstek światła) powoduje powstawanie w materiale półprzewodnikowym par elektron-dziura. Zazwyczaj fotodioda składa się ze złącza p-n z elektrodami podłączonymi do obszarów typu p i n. Kiedy światło o wystarczającej energii (długości fali) pada na fotodiodę, wzbudza elektrony w obszarze zubożenia złącza, tworząc pary elektron-dziura. Powstały przepływ prądu jest wprost proporcjonalny do natężenia padającego światła. Fotodiody są powszechnie stosowane w takich zastosowaniach, jak komunikacja optyczna, wykrywanie światła, systemy obrazowania i oprzyrządowanie optyczne, gdzie wykrywanie i pomiar poziomów światła mają kluczowe znaczenie.
Zasada działania fotodiody koncentruje się na jej zdolności do przekształcania energii świetlnej w prąd elektryczny. Kiedy fotony uderzają w obszar zubożenia złącza p-n fotodiody, generują pary elektron-dziura poprzez wzbudzanie elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Proces ten powoduje przepływ prądu, który jest wprost proporcjonalny do intensywności padającego światła. W fotodiodzie spolaryzowanej odwrotnie wewnętrzne pole elektryczne przyspiesza wytworzone nośniki ładunku (elektrony i dziury) w kierunku odpowiednich elektrod, powodując mierzalny fotoprąd. Kluczowe cechy fotodiod obejmują ich czułość (efektywność przekształcania fotonów na prąd), szybkość reakcji, czułość widmową i wydajność w zakresie szumów, które są kluczowe dla ich różnych zastosowań.
Zasada działania zarówno diody LED (diody elektroluminescencyjnej), jak i fotodiody opiera się na ich półprzewodnikowej naturze i interakcji ze światłem, ale ich funkcje znacznie się różnią. Dioda LED emituje światło, gdy przepływa przez nią prąd w kierunku do przodu, przekształcając energię elektryczną w fotony. Składa się ze złącza p-n, które emituje światło, gdy elektrony i dziury łączą się ponownie na złączu. Natomiast fotodioda wykrywa światło i przekształca je w prąd elektryczny, gdy fotony uderzają w jej powierzchnię. Obydwa urządzenia wykorzystują materiały półprzewodnikowe i opierają się na ruchu nośników ładunku (elektronów i dziur) w materiale, aby osiągnąć swoje odpowiednie funkcje — emisję światła w przypadku diod LED i wykrywanie światła w przypadku fotodiod.
Podstawową zasadą działania fotodetektora, w tym fotodiod, jest przetwarzanie sygnałów optycznych (światła) na sygnały elektryczne. Fotodetektory działają na zasadzie generowania prądu lub napięcia elektrycznego w odpowiedzi na padające światło. Proces ten zazwyczaj obejmuje materiał półprzewodnikowy, który pochłania fotony i tworzy nośniki ładunku (elektrony i dziury), które są następnie zbierane w celu wytworzenia mierzalnego sygnału elektrycznego. Fotodetektory są niezbędnymi elementami różnych systemów i urządzeń optycznych, w tym optycznych sieci komunikacyjnych, czujników, systemów obrazowania i instrumentów naukowych, gdzie wymagana jest dokładna detekcja i pomiar poziomów światła.
Działanie przetwornika fotodiodowego wiąże się z jego podwójną funkcjonalnością zarówno jako fotodetektora, jak i przetwornika. Jako fotodetektor fotodioda przekształca padające światło na sygnał elektryczny (fotoprąd) w oparciu o natężenie padającego światła. Jako przetwornik dalej przekształca ten sygnał elektryczny w inną formę energii lub informacji. Na przykład w optycznych systemach komunikacyjnych przetworniki fotodiodowe przekształcają modulowane sygnały świetlne (przenoszące dane) na sygnały elektryczne, które można dalej przetwarzać i przesyłać. W zastosowaniach czujnikowych przekształcają zmiany światła w sygnały elektryczne do celów monitorowania i sterowania. Wydajność i dokładność przetworników fotodiodowych zależy od takich czynników, jak ich czułość, szybkość reakcji i charakterystyka szumu, które wpływają na ich działanie w określonych zastosowaniach.