发光二极管是由ⅲ-ⅳ族化合物,如gaas(砷化镓)、gap(磷化镓)、gaasp(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是pn结。因此它具有一般p-n结的i-n特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由n区注入p区,空穴由p区注入n区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光,如图1所示。
假设发光是在p区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近pn结面数μm以内产生。
理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度eg有关,即
λ≈1240/eg(mm)
式中eg的单位为电子伏特(ev)。若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的eg应在3.26~1.63ev之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。