Bei der Fotodiode handelt es sich um Diode, welche an einem p-n-Übergang einfallendes Licht (Photonen) in elektrischen Strom umwandeln. Dieses geschieht aufgrund des Photoeffekts, welcher im Inneren der Diode abläuft.
Eine Fotodiode kann aus den verschiedensten Halbleitermaterialien bestehen, abhängig davon, welche Wellenlänge das einfallende Licht hat.

Die Funktionsweise einer Fotodiode ist folgende:
Die einfallenden Photonen bewirken in der Raumladungszone eines p-n-Übergangs ein Elektron-Loch-Paar. Wie bei einem Halbleiter üblich, werden die Elektronen zur n-Seite hin beschleunigt und die Löcher zur p-Seite. Durch diese entgegengesetzten Bewegungen erhöht sich die elektrische Feldstärke in der Raumladungszone und die Barrierenhöhe nimmt ab. Desweitern kommt es zur Verschiebung der Fermienergien und es kommt zu einem Stromfluss. Die Spannung kann dann an der Diode abgegriffen werden. Es kann allerdings nur zu einem Stromfluss kommen, wenn die Energie der Photonen höher ist als die Energie des Bandabstands. Da die Energie von der Wellenlänge der Photonen abhängig ist, wird hier auch deutlich, warum man für verschiedene Wellenlängenbereiche unterschiedliche Materialien verwenden muss.
Charakteristisch für eine Photodiode ist ihr Dunkelstrom. Dieses ist der Strom, der auch dann noch fließt, wenn es dunkel ist. Dieser Strom ist zwar sehr gering, allerdings auch temperaturabhängig und darf somit nicht unbeachtet bleiben.

Eine Fotodiode kann auf drei verschiedene Weisen genutzt werden:

• Fotoelement:
  Hier ist die Spannung größer Null, der Strom allerdings kleiner 0. Dadurch liefert die Photodiode elektrische Energie, zum Beispiel in Form einer Solarzelle. Auch nutzt man diese Betriebsart zum Messen von Helligkeiten, da die Fotodiode so sehr langsam ist und somit keine schnellen Signale detektieren kann. Die Ladung ist, wenn die Ladungen abtransportiert werden, bevor eine Sättigungsspannung erreicht wird, proportional zur Helligkeit.

• Quasi-Kurzschluss:
  Für diese Betriebsart ist die Spannung gleich 0 und der Strom kleiner Null. Der hierbei entstehende Strom ist linear von der Bestrahlungsstärke abhängig und somit eignet sich die Fotodiode in dieser Betriebsart zum Messen von Bestrahlungstärken.

• Sperrbereich:
  Nun sind Spannung und Strom beide kleiner Null. An der Fotodiode liegt also eine Spannung in Sperrrichtung an. Dadurch bedingt fließt ein linear von den Fotonen abhängiger Sperrstrom.