光电二极管传感器由半导体 pn 结组成，如激光二极管和LED 中描述的激光二极管和 LED 物理。 落在结上的光导致电子空穴对的形成。在光伏模式下，即没有施加偏压，电子空穴对迁移到结的相对侧，从而产生电压(如果器件连接在电路中，则产生电流)。然而，大多数光电二极管在光电导模式下工作，在该模式下，反向偏压被施加到结上。
以这种模式运行有几个显着的优势。反向偏压增加了耗尽区的宽度，从而导致更大的光敏区域，从而允许更多的光收集。此外，偏压会在结处产生强场，快速扫除载流子，使其不太可能发生复合。这确保了大的量子产率或光子到电荷载流子的有效转换。光接收器物理)。在反向偏置光电二极管中，偏置和电荷载流子产生的电流在宽动态范围内与入射光强度成正比。
半导体光子源和光子探测器之间的一个关键区别是前者需要使用直接带隙半导体，而后者可以使用间接带隙半导体。虽然对能量和动量守恒的同时要求使得间接带隙半导体中的光子发射可能性大大降低，但吸收的情况并非如此。一个容易实现的两步过程发生，其中电子在导带中被激发到高水平，然后是其动量转移到声子的弛豫过程。因为这个过程可以是连续的，所以它比两个步骤必须同时发生的发射过程更有可能。
其结果是 IV 族元素半导体(如 Si 和锗 (Ge))可以成为高效的光子探测器，类似于直接间隙 III-V 系统(如 GaAs 或 InGaAs)。Si 在电子电路和设备中无处不在，这使得 Si 光电二极管成为仪器中最常用的光检测器也就不足为奇了。Si 的光谱响应涵盖 UV、VIS 和 NIR。其他半导体材料的光电二极管可以覆盖电磁波谱的其他部分。Si 的光谱响应涵盖 UV、VIS 和 NIR。其他半导体材料的光电二极管可以覆盖电磁波谱的其他部分。Si 的光谱响应涵盖 UV、VIS 和 NIR。其他半导体材料的光电二极管可以覆盖电磁波谱的其他部分。
光电二极管具有多种特性，使其有别于热二极管。光子到电子的转换速度非常快，因此这些探测器具有跟踪快速变化的辐射水平的潜力。探测灵敏度可以明显高于热探测器。检测机制与波长密切相关，即响应度有一个峰值，由于光子到瓦特的转换，在短波长处下降，而在长波长处，由于产生电子空穴对所需的光子能量最少，响应率峰值下降。光电二极管的动态范围可以非常大，超过 10^10用一个探测器。
由于这种大的检测率和动态范围，光电二极管通常用于测量大范围内的光功率。对于 CW 或准 CW 源，这很简单，对于脉冲源，程序可用于估算脉冲能量。光电二极管也可以用作能量传感器，前提是它们的时间响应可以适应脉冲积分。由于低端的检测率降低(由于更快的时间响应)和高端检测器的线性响应饱和，这导致动态范围减小。这是因为电子空穴对开始重新组合而不是流过电路。
