Фотодиоды - это полупроводниковые фотоэлектрические приборы с одним pn-переходом и двумя контактами, принцип действия которых основан на использовании внутреннего фотоэффекта. Устройство фотодиодов подобно устройству обычных диодов, но в корпусе, в который помещен диод, имеется стеклянное окно, через которое на диод падает свет. Стекло окна прозрачно для той части спектра, к которой должен быть чувствителен активный элемент фотодиода.

В качестве полупроводниковых материалов используют германий, кремний, селем, арсенид индия, сульфид кадмия и другие. Фотодиод может работать в режиме фотогенератора и в режиме фотопреобразователя. В первом случае, под действием света на зажимах фотодиода создается фото-ЭДС. Такие фотодиоды называют полупроводниковыми фотоэлементами. Во втором случае, в цепь фотодиода включают источник питания, создающий обратное смещение р-n перехода.

Если фотодиод не освещен, он ведет себя как обычный диод, через него проходит обратный ток, образованный неосновными носителями заряда р- и n- областей. Если на фотодиод падает свет, то вследствие внутреннего фотоэффекта в обеих областях фотодиода генерируются пары носителей заряда. Неосновные носители заряда, для которых поле рn-перехода является ускоряющим, могут легко преодолеть pn-переход и попасть в смежную область и тем самым внести свой вклад в общий ток неосновных носителей заряда фотодиода. Ток неосновных носителей, вызванный освещением, не зависит от напряжения, приложенного к рn-переходу. Он пропорционален световому потоку и называется фототоком. При этом следует отметить, что одновременно с процессом генерации пар носителей заряда происходит и их рекомбинация. Поэтому достигнут рn-перехода и перейдут через него только те носители, диффузионная длина которых больше ширины р- или n- области. Кроме того, интенсивность света уменьшается по глубине облучаемого тела, поэтому генерация пар носителей происходит в основном на внешней облучаемой поверхности. Если ширина облучаемой области меньше дифузионной длины дырок, что соответствует реальным структурам фотодиодов, фототок в фотодиоде будет обусловлен движением дырок области n. На рисунке представлена ВАХ фотодиода Iф = f(U) для различных значений светового потока Ф.

Фотодиоды обладают значительной инерционностью из-за конечного времени диффузии носителей заряда к pn-переходу и прохождения их через область объемного заряда в pn-переходе. Кроме того, на инерционность влияет также время зарядки емкости pn-перехода. Частотные характеристики фотодиодов зависят от материалов, из которых они выполнены, а также от толщины и площади pn-перехода. Существенным недостатком фотодиодов является зависимость их параметров от температуры.