Polaryzacja fotodiody polega na przyłożeniu do niej napięcia w sposób optymalizujący jej działanie w zakresie wykrywania sygnałów świetlnych. Jedną z powszechnych metod jest polaryzacja fotodiody w kierunku odwrotnym. Odwrotne polaryzacja oznacza przyłożenie ujemnego napięcia do złącza p-n fotodiody, gdzie półprzewodnik typu p jest podłączony do ujemnego zacisku zasilacza, a półprzewodnik typu n jest podłączony do dodatniego zacisku. To odwrotne odchylenie tworzy obszar zubożenia w fotodiodzie, który rozszerza się, gdy fotony o wystarczającej energii uderzają w fotodiodę, tworząc pary elektron-dziura. Pary te są następnie omiatane przez obszar zubożenia przez pole elektryczne, generując fotoprąd proporcjonalny do natężenia padającego światła.
Odwrotne polaryzacja fotodiody ma kilka zalet. Zwiększa szerokość obszaru zubożenia, co zwiększa efektywność przekształcania padających fotonów na prąd elektryczny. Skutkuje to wyższą czułością i krótszym czasem reakcji, dzięki czemu fotodiody spolaryzowane zaporowo nadają się do zastosowań wymagających szybkiego wykrywania słabych sygnałów optycznych, takich jak komunikacja optyczna i fotodetektory stosowane w instrumentach naukowych.
Fotodioda działa w oparciu o zasadę efektu fotowoltaicznego, w którym nadchodzące fotony o wystarczającej energii (większej niż energia pasma wzbronionego materiału półprzewodnikowego) generują pary elektron-dziura w obszarze zubożenia fotodiody. Obszar zubożenia, utworzony przez przyłożenie napięcia polaryzacji zaporowej na złącze p-n, służy do oddzielenia tych par elektron-dziura i wytworzenia różnicy potencjałów, która umożliwia wygenerowanie fotoprądu. Ten fotoprąd jest wprost proporcjonalny do natężenia padającego światła i stanowi bezpośrednią miarę siły sygnału świetlnego.
Ciemny prąd w fotodiodzie odnosi się do małego prądu przepływającego przez urządzenie nawet przy braku światła. Ten ciemny prąd jest zwykle powodowany przez generowane termicznie pary elektron-dziura w materiale półprzewodnikowym fotodiody. Aby zmniejszyć prąd ciemny, można zastosować kilka technik. Skuteczną metodą jest obniżenie temperatury pracy fotodiody, co ogranicza wytwarzanie ciepła przez pary elektron-dziura. Często osiąga się to za pomocą chłodnic termoelektrycznych lub umieszczając fotodiodę w środowisku o kontrolowanej temperaturze. Dodatkowo, wybór fotodiod o niższych specyfikacjach prądu ciemnego i staranne zaprojektowanie obwodów w celu zminimalizowania szumu termicznego może jeszcze bardziej zmniejszyć wpływ ciemnego prądu na działanie fotodiody.