发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时串联限流电阻以控制通过二极管的电流。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
高亮度单色发光二极管和亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。
闪烁发光二极管（BTS）是一种由CMOS集成电路和发光二极管组成的特殊发光器件，可用于报警指示及欠压、超压指示。 闪烁发光二极管在使用时，无须外接其它元件，只要在其引脚两端加上适当的直流工作电压（5V）即可闪烁发光。
LED用作袖珍计算器。数字手表和电子仪表的数字显示，一般为七段显示。但对台式计算器,更灵活的显示方式（产生全文字-数字）是35点矩阵，其中LED装成7×5阵列。35点矩阵价格较高、驱动电路复杂，其应用不及七段显示器件广泛。 光耦合器件 GaAs（或GaAsP）LED和Si－PN结探测器相结合，可以制成许多新型器件，进行光-电和电-光的传递，通常称为光耦合器件。熟知的是光耦合隔离器，它高速、可靠并可提供高至2.5千伏的电隔离。GaAsLED与Si晶体管相结合制成穿孔卡片或磁带的光电子读数头，比钨丝灯径向分布可靠、稳定、抗震和功耗小。采用光耦合器件的汽车点火装置，省油、易起动、工作平稳。GaAlAs负阻发光二极管可用作发光开关、可控发光整流器和光波长转换等。
通信、信息处理和光耦合等应用要求LED有良好的方向性。适于光通信应用的两种主要光源是高辐射度LED和半导体注入激光器。LED稳定、可靠、寿命长、驱动电路简单、功率对温度不敏感，广泛用作中、短距离（铁路、电力、交通、公安等）光通信系统的光源。GaAlAs－GaAs面发光管的带宽为10～20兆赫，适用于二次群光通信系统(可传输120路电话),传输距离大于5公里。GaAlAs-GaAs快速边发光管带宽50～100兆赫，适用于三级群光通信系统(可传输480路电话)，传输距离数公里。InGaAsP-InP LED可用于更长距离(大于10公里)的传输系统。此外，LED还用于信息处理、图像传输、测距和传感等方面。
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