En fotodiode er en p<unk>n-forbindelse eller PIN-struktur. Når en foton med tilstrækkelig energi rammer dioden, danner den et elektronhulpar. Denne mekanisme er også kendt som den indre fotoelektriske effekt. Hvis absorptionen sker i forbindelsens udtømningsområde eller en diffusionslængde væk fra det, bliver disse bærere fejet fra forbindelsen af det indbyggede elektriske felt i udtømningsområdet. Således bevæger hullerne sig mod anoden, og elektroner mod katoden, og der produceres en fotostrøm. Den samlede strøm gennem fotodioden er summen af den mørke strøm (strøm, der genereres i fravær af lys) og fotostrømmen, så den mørke strøm skal minimeres for at maksimere følsomheden af fotodioden.
foton