光电传感器的物理基础是光电效应，即光会改变半导体材料的许多电特性。光电效应通常分为两类，即外部光电效应和内部光电效应。外部光电效应是指物质吸收光子并激发自由电子的行为。当金属表面被特定的光照射时，金属将吸收光子并发射电子，这被称为光电子。

在发射电子之前，光的波长必须小于特定的临界值（等于大于特定临界值的光的频率）。临界值是截止频率和截止波长。从E=hn-W，如果入射光子的能量hn大于功函数W，则某些光电子在离开金属表面后仍有能量残留，这意味着某些光电子具有一定的动能。由于不同的电子需要不同的功才能与给定的金属分离，因此在吸收光子的能量并从金属逸出后，它们具有不同的动能。

由于功函数W是从金属中去除电子所必须完成的最小功，因此如果使用E来代表具有最大动能的光电子的动能，则存在以下关系式E=hn  -W（其中h表示普朗克常数，N表示入射光的频率），这种关系通常称为爱因斯坦光电效应方程。

当在非常靠近表面的PN结处辐射光时，如果光的能量足够大且光子的能量大于禁带，在半导体材料中，电子可以从价带传递到导带。能带成为自由电子，价带成为自由空穴。在PN结的内部电场的作用下，这些电子和空穴对被推出N区域，这使N区域带负电，P区域带正电。这样，在区域N和区域P之间存在电势差，因此在PN结的两侧产生光电动势。

光敏电阻的原理基于光导性的影响：没有光时，光敏电阻具有很高的电阻值。当有光时，当光子的能量大于材料的禁带时，价带中的电子会吸收光子的能量。过渡到导带，激发成对的电子空穴可以导电，并降低电阻值；光停止后，自由电子和空穴复合，电导率降低，电阻恢复到原始值。

由于光电效应限于照射表面上的薄层，因此通常将半导体材料制成薄膜并赋予足够的电阻。电水平是梳状的，使得光敏电阻电极之间的距离短，并且载流子通过电极的时间更短。并且材料载体的寿命相对较长，因此具有很高的内部增益，以获得高灵敏度。光电传感器将非电信号转换为要测量的电信号。通常，它包括三个部分。