Fotodioda wykrywa światło w oparciu o zasadę przekształcania fotonów (cząstek światła) w prąd elektryczny. Kiedy fotony o wystarczającej energii uderzają w materiał półprzewodnikowy fotodiody, generują pary elektron-dziura w obszarze zubożenia urządzenia. Proces ten zachodzi, ponieważ energia przychodzących fotonów jest wystarczająca do rozerwania wiązań kowalencyjnych w sieci półprzewodnika, tworząc wolne elektrony i dziury. Pole elektryczne w obszarze zubożenia oddziela następnie te nośniki ładunku, tworząc fotoprąd proporcjonalny do intensywności padającego światła. Ten fotoprąd można wzmocnić i przetworzyć w celu wykrycia obecności, intensywności i charakterystyki padającego światła.
Fotodiody zaprojektowano specjalnie do wykrywania światła poprzez optymalizację materiału i struktury półprzewodników. Zwykle składają się ze złącza p-n lub złącza PIN (typu p, wewnętrznego, typu n), gdzie obszar wewnętrzny umożliwia wydajną absorpcję fotonów. Skład materiału dobierany jest na podstawie długości fali wykrywanego światła, co zapewnia wysoką wydajność kwantową – stosunek fotonów zamienionych na pary elektron-dziura. Fotodioda jest zwykle umieszczona w obudowie, która minimalizuje zakłócenia zewnętrzne i zwiększa wrażliwość na światło. W niektórych przypadkach stosuje się powłoki przeciwodblaskowe, aby zmaksymalizować absorpcję światła i poprawić wydajność w określonych zakresach długości fal.
Zasada działania detektora fotodiodowego opiera się na jego zdolności do przekształcania padającego światła na sygnał elektryczny. Kiedy fotony uderzają w obszar aktywny fotodiody, generują pary elektron-dziura w materiale półprzewodnikowym. Wbudowane pole elektryczne spowodowane napięciem polaryzacji zaporowej przyłożonym do fotodiody przyspiesza te nośniki ładunku w kierunku odpowiednich elektrod, tworząc fotoprąd. Prąd ten jest wprost proporcjonalny do natężenia padającego światła, dzięki czemu fotodioda może działać jako czuły detektor różnych sygnałów optycznych.
Fotodioda wykrywa sygnały optyczne, przekształcając fotony światła w prąd elektryczny. Na przykład w optycznych systemach komunikacyjnych sygnały optyczne przenoszące dane są odbierane przez fotodiodę. Padające światło moduluje fotoprąd zgodnie z przesyłanym sygnałem. Zdolność fotodiody do szybkiego reagowania na zmiany natężenia światła umożliwia dokładne wykrywanie i demodulację sygnałów optycznych, przekształcając je w sygnały elektryczne, które można dalej przetwarzać i przesyłać przez obwody elektroniczne.
Fotodiody mierzą natężenie światła poprzez określenie ilościowe fotoprądu generowanego w odpowiedzi na padające światło. Natężenie fotoprądu jest wprost proporcjonalne do natężenia padającego światła. Zazwyczaj fotodioda jest podłączona do obwodu przetwornika prądu na napięcie lub wzmacniacza transimpedancyjnego, który przekształca fotoprąd w mierzalny sygnał napięciowy. Kalibrując zależność między fotoprądem a natężeniem światła padającego, fotodiody mogą dokładnie mierzyć i określać ilościowo poziomy światła w szerokim zakresie zastosowań, w tym w fotometrii, spektroskopii i detekcji optycznej.
