PN结光电二极管工作于光导模式，可作为探测器对光信号进行探测，工作于光伏模式可作为光电池实现光能向电能的转换。

p型半导体与n型半导体结合在其交界面附近会形成PN结。由于n区电子浓度高于p区，电子将向p区扩散，同样p区空穴将向n区扩散，这样在n型界面附近形成正的空间电荷，p型界面附近形成负的空间电荷，称为空间电荷区或耗尽区，正负空间电荷间形成由n区指向p区的内建电场。半导体的能带结构使得价带中的电子可以吸收能量比禁带宽度能量大的光子后跃迁到导带，产生电子-空穴对，禁带宽带决定带-带跃迁的本征截止波长。照射在PN结光电二极管上的光在其透射深度内被吸收，其中在耗尽层内吸收产生的电子和空穴分别被电场扫向N侧和P侧，做漂移运动形成反向漂移电流；在耗尽层外扩散长度内吸收产生的少子，即p区中的电子和n区中的空穴依靠扩散运动可到达耗尽层边界，进入耗尽层后被电场扫向N侧和P侧形成扩散电流；在扩散长度以外远离耗尽区的p区和n区中产生的少子，在扩散到耗尽层边界前将被复合，不能形成电流。PN结光电二极管的工作模式由外加偏压回路决定，零偏压时为光伏模式；反偏时，即p端施加负电压，n端施加正电压时，为光导模式。在p型半导体和n型半导体之间通常会加入一层本征半导体，是一种被广泛采用的结构，称为P-I-N型光电二极管。I层的加入可以有效优化器件的量子效率与响应速度。

PN结光电二极管的主要特性参数包括量子效率、响应度、响应速度、噪声等效功率及归一化探测率。①量子效率。定义为在某一入射波长下，没有倍增时，单位时间内产生并被电极收集的光生载流子数与入射光子数之比。又有，可知量子效率由器件表面的反射率、材料的光吸收系数和吸收层厚度决定。随入射光波长变化，因而也与波长密切相关。波长大于本征截止波长的光，几乎不会引起光的吸收，所以量子效率是零。对于远离截止波长的短波长的光，值较大，吸收几乎发生在表面的附近，在没有到达耗尽层被电场分离之前就被复合，量子效率降低。②响应度。与量子效率对应，是实际使用时反映探测器光电转换能力的性能参数，定义为光电流与入射光功率之比，即，单位为安/瓦或微安/微瓦。式中为电子电荷；为普朗克常数；为入射光频率。③响应速度。限制PN/PIN探测器响应速度的因素有几个方面，主要包括光生载流子跨越耗尽层的渡越时间；载流子从非耗尽层区域扩散至收集电极所需时间；PN/PIN本身的电容和其他寄生电容的充放电时间；具有异质结结构的PN/PIN在异质结界面处存在的电荷积累，对于响应速度有一定影响。其中主要影响有两个，即光生载流子的渡越时间和器件本身的RC常数限制。④噪声等效功率及归一化探测率。是衡量光电探测器探测能力的两个参数。噪声等效功率定义为信噪比时的光信号功率，即与噪声功率相当的光功率，代表可探测的最小光功率，其值越小表明探测器对微弱信号的探测能力越强。探测率定义为噪声等效功率的倒数，。对于PN/PIN光电二极管，噪声主要来源于散粒噪声和热噪声，与探测器面积和带宽有关，噪声等效功率。为了排除面积与带宽的影响，表征探测器材料和结构本身的探测能力，引入归一化探测率，定义为，单位为厘米·赫^1/2·瓦^-1（cm·Hz^1/2·W^-1）。

PN结光电二极管广泛应用于高速光通信、传感、激光测距、成像、光电集成等方面，并发展出多种新的结构使探测器性能不断提高。单行载流子探测器采用P掺杂的光吸收材料，利用电子的高漂移速度，减少了载流子的堆积，具有高的饱和光功率和线性度。共振腔增强型光电探测器和集成波导型探测器，解决了量子效率与带宽相互制约的关系，在保证高量子效率的同时具有高的响应速度。