光电二极管由半导体 p-n 构成，但涉及的基本辐射过程是吸收。 落在结上的光导致电子-空穴对的形成。 在光伏模式下，即不施加偏置，电子-空穴对迁移到结的另一侧，从而产生电压（和电流，如果器件连接在电路中）。 然而，大多数光电二极管在光导模式下工作，该模式对结施加反向偏置。 在这种模式下工作有明显的优势[1]。 反向偏置增加了耗尽区域的宽度，从而产生更大的受光区域，从而允许更多的光收集。 此外，偏置在结中产生一个强场，迅速扫过载流子，使复合的可能性降低。 这保证了高量子效率或光子到电荷载流子的有效转换。 在响应时间方面也有优势。 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的主要区别在于，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。 虽然对能量守恒和动量守恒的要求大大降低了间接带隙半导体中光子辐射的可能性，但吸收并非如此。 两步过程更容易实现，其中电子在导带中被激发到更高的能级，然后是弛豫过程，其中电子的动量被转移到声子上。 由于这两个步骤可以依次发生，因此与两个步骤必须同时发生相比，辐射过程的可能性要高得多。 因此，硅 （Si） 和锗 （Ge） 等 IV 族元件半导体是有效的光子探测器，类似于 Gaas 或 Ingaas 等直接带隙 III-V 系统。 由于SI在电子电路和设备中无处不在，因此SI光电二极管成为仪器仪表中最常用的光电探测器也就不足为奇了（典型器件架构见图1）。 Si 的光谱响应度覆盖了紫外、可见光和近红外波段。 使用其他半导体材料的光电二极管可以覆盖电磁频谱的其他部分。
光电二极管具有一些区别于热探测器的特性。 光子到电子的转换非常迅速，因此光电二极管有可能响应快速变化的辐射水平，其检测率可能明显高于热探测器。 该检测机理具有很强的波长依赖性，即响应度存在峰值，在短波长下由于光子到瓦特的转换而降低，在长波长下由于产生电子-空穴对所需的最小光子能量而降低。 光电二极管的动态范围可能非常大，单个检测器超过 10 （10）。 由于其高检测率和大动态范围，光电二极管通常用于测量宽范围的光功率。 对于连续或准连续光源，这很直观; 对于脉冲光源，本文中概述的程序可用于估计脉冲能量。 只要时间响应能够适应脉冲积分，光电二极管也可以用作能量传感器。 这导致动态范围减小，由于检测灵敏度降低（由于时间响应较快），范围的下限减小，范围的上限是由于检测器线性响应的饱和。 这是因为电子-空穴对开始重新组合而不流过电路。