Wie alle Dioden besteht auch eine Photodiode aus zwei gegenläufig polarisierten Halbleitern, die sich entweder direkt treffen, oder durch einen weiteren Halbleiter distanziert sind. Ihre Besonderheit ist das fotosensitive Material: Bei Lichteinstrahlung bringt dieses einen Stromfluss oder einen Spannungsaufbau in Gang.
Eine Photodiode kann entweder mit einem p-n-Übergang (direkt) oder um einen PIN-Übergang herum konstruiert werden. Die Buchstaben p und n stehen bei beiden Modellen für eine positiv (p) oder negativ (n) dotierte Halbleiterfläche. Um eine negative Polung zu erreichen, werden Moleküle mit Elektronen-Überschuss verwendet. Für die positive Polung sorgen sogenannte Defektelektronen, die auch als Löcher bezeichnet werden. :
Bei einem p-n-Übergang stehen sich diese beiden Flächen direkt gegenüber. Dort kommt es zu einer Diffusion der überschüssigen Elektronen in Richtung der Löcher und umgekehrt. Dadurch entsteht ein Gleichgewicht, das man als Raumladungszone bezeichnet. Bei den PIN-Übergängen wird diese noch durch eine intrinsische, nach außen neutrale, Schicht verstärkt. Das senkt die Kapazität der Raumladungszone, sodass sich die beiden dotierten Halbleiterplättchen direkt treffen.