Fotodetektor działa poprzez zamianę padającego światła na sygnał elektryczny. Wykrywa fotony (cząstki światła) i generuje odpowiedni prąd lub napięcie elektryczne. Najpopularniejsze typy fotodetektorów obejmują fotodiody, fototranzystory i fotopowielacze, z których każdy działa na podobnych zasadach, ale ma różny poziom czułości i charakterystykę specyficzną dla zastosowania. Sygnał wyjściowy z fotodetektora może być wykorzystywany do różnych celów, takich jak wykrywanie natężenia światła, komunikacja, obrazowanie lub pomiary w zastosowaniach naukowych i przemysłowych.
Zasada działania fotodetektora opiera się na efekcie fotoelektrycznym, podczas którego fotony światła oddziałują z materiałem półprzewodnikowym wewnątrz detektora. Kiedy fotony uderzają w detektor, przekazują swoją energię elektronom w materiale, powodując ich ruch i wytwarzanie prądu elektrycznego. Prąd ten jest proporcjonalny do natężenia padającego światła, umożliwiając fotodetektorowi dokładny pomiar poziomu światła lub wykrycie obecności światła.
Fotodioda to specyficzny typ fotodetektora, który działa na tej samej zasadzie, co zwykła dioda, ale jest zaprojektowany tak, aby był wrażliwy na światło. Składa się ze struktury półprzewodnikowej złącza PN, która generuje prąd pod wpływem światła. Kiedy fotony o wystarczającej energii uderzają w obszar zubożenia fotodiody, tworzą pary elektron-dziura, które następnie są rozdzielane przez pole elektryczne wewnątrz diody, tworząc fotoprąd. Ten fotoprąd jest wprost proporcjonalny do natężenia światła padającego.
Mechanizmy fotodetekcji różnią się w zależności od rodzaju fotodetektora. W fotodiodach i fototranzystorach fotodetekcja zachodzi poprzez absorpcję fotonów, co powoduje utworzenie par elektron-dziura, które przyczyniają się do przepływu prądu elektrycznego. Z drugiej strony fotopowielacze wykorzystują kaskadę stopni powielania elektronów do wykrywania bardzo niskich poziomów światła, co czyni je bardzo czułymi detektorami do zastosowań wymagających ekstremalnej czułości.
Terminy „fotodioda” i „fotodetektor” są często używane zamiennie, ale istnieje subtelna różnica. Fotodioda w szczególności odnosi się do urządzenia półprzewodnikowego, które przekształca światło w prąd elektryczny, zwykle poprzez efekt fotoelektryczny w złączu PN. Natomiast fotodetektor to szerszy termin obejmujący różne urządzenia wykrywające światło, w tym fotodiody, fototranzystory, fotopowielacze i inne specjalistyczne detektory stosowane w różnych zastosowaniach.
Właściwości fotodetektora obejmują czułość, szybkość reakcji, zakres widmowy (czułość na długość fali), liniowość (reakcja wyjściowa proporcjonalna do światła wejściowego), poziom szumu (niepożądane sygnały elektryczne) i zakres dynamiczny (zakres natężeń światła, które może dokładnie wykryć). Właściwości te decydują o przydatności fotodetektora do konkretnych zastosowań. Na przykład fotodiody są znane z szybkiego czasu reakcji i szerokiego zakresu dynamiki, dzięki czemu nadają się do szybkiej komunikacji i zastosowań w precyzyjnych pomiarach, podczas gdy fotopowielacze doskonale sprawdzają się w wykrywaniu bardzo niskich poziomów światła z dużą czułością.