光電二極管傳感器由半導(dǎo)體 pn 結(jié)組成，如激光二極管和LED 中描述的激光二極管和 LED 物理。 落在結(jié)上的光導(dǎo)致電子空穴對的形成。在光伏模式下，即沒有施加偏壓，電子空穴對遷移到結(jié)的相對側(cè)，從而產(chǎn)生電壓(如果器件連接在電路中，則產(chǎn)生電流)。然而，大多數(shù)光電二極管在光電導(dǎo)模式下工作，在該模式下，反向偏壓被施加到結(jié)上。

以這種模式運(yùn)行有幾個(gè)顯著的優(yōu)勢。反向偏壓增加了耗盡區(qū)的寬度，從而導(dǎo)致更大的光敏區(qū)域，從而允許更多的光收集。此外，偏壓會(huì)在結(jié)處產(chǎn)生強(qiáng)場，快速掃除載流子，使其不太可能發(fā)生復(fù)合。這確保了大的量子產(chǎn)率或光子到電荷載流子的有效轉(zhuǎn)換。光接收器物理)。在反向偏置光電二極管中，偏置和電荷載流子產(chǎn)生的電流在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)與入射光強(qiáng)度成正比。

半導(dǎo)體光子源和光子探測器之間的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別是前者需要使用直接帶隙半導(dǎo)體，而后者可以使用間接帶隙半導(dǎo)體。雖然對能量和動(dòng)量守恒的同時(shí)要求使得間接帶隙半導(dǎo)體中的光子發(fā)射可能性大大降低，但吸收的情況并非如此。一個(gè)容易實(shí)現(xiàn)的兩步過程發(fā)生，其中電子在導(dǎo)帶中被激發(fā)到高水平，然后是其動(dòng)量轉(zhuǎn)移到聲子的弛豫過程。因?yàn)檫@個(gè)過程可以是連續(xù)的，所以它比兩個(gè)步驟必須同時(shí)發(fā)生的發(fā)射過程更有可能。

其結(jié)果是 IV 族元素半導(dǎo)體(如 Si 和鍺 (Ge))可以成為高效的光子探測器，類似于直接間隙 III-V 系統(tǒng)(如 GaAs 或 InGaAs)。Si 在電子電路和設(shè)備中無處不在，這使得 Si 光電二極管成為儀器中最常用的光檢測器也就不足為奇了。Si 的光譜響應(yīng)涵蓋 UV、VIS 和 NIR。其他半導(dǎo)體材料的光電二極管可以覆蓋電磁波譜的其他部分。Si 的光譜響應(yīng)涵蓋 UV、VIS 和 NIR。其他半導(dǎo)體材料的光電二極管可以覆蓋電磁波譜的其他部分。Si 的光譜響應(yīng)涵蓋 UV、VIS 和 NIR。其他半導(dǎo)體材料的光電二極管可以覆蓋電磁波譜的其他部分。

光電二極管具有多種特性，使其有別于熱二極管。光子到電子的轉(zhuǎn)換速度非?？?，因此這些探測器具有跟蹤快速變化的輻射水平的潛力。探測靈敏度可以明顯高于熱探測器。檢測機(jī)制與波長密切相關(guān)，即響應(yīng)度有一個(gè)峰值，由于光子到瓦特的轉(zhuǎn)換，在短波長處下降，而在長波長處，由于產(chǎn)生電子空穴對所需的光子能量最少，響應(yīng)率峰值下降。光電二極管的動(dòng)態(tài)范圍可以非常大，超過 10^10用一個(gè)探測器。

由于這種大的檢測率和動(dòng)態(tài)范圍，光電二極管通常用于測量大范圍內(nèi)的光功率。對于 CW 或準(zhǔn) CW 源，這很簡單，對于脈沖源，程序可用于估算脈沖能量。光電二極管也可以用作能量傳感器，前提是它們的時(shí)間響應(yīng)可以適應(yīng)脈沖積分。由于低端的檢測率降低(由于更快的時(shí)間響應(yīng))和高端檢測器的線性響應(yīng)飽和，這導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍減小。這是因?yàn)殡娮涌昭▽﹂_始重新組合而不是流過電路。