Принцип действия. Светодиод представляет собой полупроводниковый диод с p-n-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение (рис. 5.4,а). Работа светодиода основана на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область (базу) светодиода (рис. 5.4,6). Для светодиодов характерны два механизма излучательной рекомбинации (см. гл. 2): межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона – зона, рис. 5.4,в); рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов, связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках (рис. 5.4,г).
Прямые переходы происходят без изменения импульса электрона (на рис. 5.4,е импульс до и после перехода равен нулю), поэтому закон сохранения импульса выполняется «автоматически» при непосредственной рекомбинации электрона с дыркой. Отсюда высокая вероятность таких переходов (для GaAs при комнатной температуре коэффициент Эйнштейна А21 » 3?10-10 см3?с-1). Типичными прямозонными полупроводниками кроме GaAs являются InAs, InSb, GaSb, некоторые составы твердых растворов интерметаллов А3В5, такие как GaAlAs, GaAsP, InGaAsP, большинство соединений типа А2В6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, CdSe), а также ряд других бинарных соединений (PbS, PbSe, PbTe).
Вероятность излучательной рекомбинации, очень низкая в непрямозонных полупроводниках (например, для GaP A21 » 5?10-14 см?с-1), может резко возрасти при образовании в них изоэлектоонных (электрически нейтральных) экситонных ловушек. В QaP такие ловушки образуются путем легирования кристалла азотом (при этом атом N замещает в решетке атом Р) или одновремейно кислородом и цинком (атомы О и Zn замещают атомы Я и Ga соответственно). Энергетическая структура этих центров такова, что они эффективно притягивают электроны и дырки с образованием экситонов. После локализации частиц на «тяжелом» центре их излучательная рекомбинация происходит так же, как в прямозонном полупроводнике; при этом импульс передается центру. Энергия данного квантового перехода отличается от ширины запрещенной зоны Eg на энергию связи экситона DЕэкст.
Естественно, что при обоих механизмах излучения имеет место и безызлучательная рекомбинация, бесполезно расходующая часть энергии возбуждения.
Процесс инжекции отличается тем, что при малых плотностях тока концентрация вводимых носителей п (или р) пропорциональна прямому току Iпр, При этом мощность излучения Ризл ~ n (или р). При больших плотностях тока 
но при этом Ризл »п?р, т. е. по-прежнему Ризл »Inp. Таким образом, в широком диапазоне значений Iпр ватт-амперная характеристика светодиодов линейна (рис. 5.4, д). Участок низкой эффективности свечения при очень малых прямых токах обусловлен значительным вкладом безызлучательной рекомбинации на поверхности и в области объемного заряда, при увеличении тока эти центры рекомбинации «забиваются» носителями заряда и их роль ослабевает. Сублинейный участок ватт-амперной характеристики при больших прямых токах чаще всего связан с ухудшением инжектирующей способности p-n-перехода и с разогревом; у GaP (Zn–О)-светодиодов это объясняется эффектом насыщения (заполнения) центров излучательной рекомбинации, концентрация которых из-за малой растворимости кислорода невелика.
Уменьшение интенсивности излучения при повышении частоты возбуждающего сигнала (рис. 5.4,е), возникновение релаксаций свечения при работе светодиода в режиме переключения (рис. 5.4,ж) связаны с инерционностью процессов возникновения и гашения рекомбинационной люминесценции.
Диаграмма направленности излучения светодиода (рис. 5.4,з, и) значительно шире, чем у лазера, что обусловлено хаотичностью направлений распространения отдельных генерируемых фотонов. По спектральному диапазону и, как следствие, по основному функциональному назначению светодиоды подразделяются на две группы:
светодиоды видимого диапазона спектра, предназначенные для устройств визуального отображения информации (интенсивность излучения характеризуется силой света In);
полупроводниковые ИК-излучатели, называемые обычно ИК-светодиодами, предназначенные для работы с физическими приемниками, главным образом в ВОЛС, оптопарах, оптических ЗУ (интенсивность излучения характеризуется мощностью Ризл).
Как и в случае лазеров, наилучшим сочетанием параметров обладают гетеросветодиоды на основе гетероструктур, хотя специфика генерации некогерентного излучения позволяет широко использовать и светодиоды на основе однородных полупроводников.