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。
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。
原子、分子和某些半导体材料，能分别吸收和放出一定波长的光或电磁波。根据固体能带论，半导体中电子的能量状态分为价带和导带，当电子从一个带中能态E1跃迁(转移)到另一带中的能态E2时，就会发出或吸收一定频率(υ)的光。υ与能量差(ΔE=E2-E1)成正比，即
