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电子器件在正向大偏置下半导体PN结结区附近将注入大量非平衡载流子，利用复合发光效应可制成各种颜色发光二极管。电子仪表上普遍使用的红、绿色半导体指示灯、数码管，就是用GaAsP、GaP、AlGaAs等材料制成的。固态发光管功耗低、体积小、寿命长，已逐步取代真空管。用GaAs制成的发光管，发光效率很高,发射波长约9000埃,属人眼不灵敏的近红外波段，广泛用作光电控制和早期光通信的光源。第一只半导体激光器就是用高掺杂GaAs的PN结制成的，虽然现代半导体激光器已被异质结器件所取代，但基本上仍属正向结结构。
PN结中由于两侧电荷的转移在结区建立很强的内场(达104伏厘米以上),导致能带弯曲，形成pn结势垒。光生载流子一旦扩散入结区即被内场扫向两侧构成光生电流。硅光电池和光敏二极管就是利用反向结特性工作的器件。硅光电池作为太阳能电源在人造卫星上已得到应用,中国“东方红”2号人造卫星就使用了硅光电池。目前硅光电池能量转换效率已接近15％的理论值。光敏二极管是广泛使用的光检测器件,为了提高量子效率和响应速度，必须尽量扩大耗尽区（即电场区），因此实用的半导体光电二极管都施加反向偏置,量子效率可达到80％以上，响应时间可小于纳秒,光纤通信系统使用的Si-PIN检测器就是典型的一种。
如果施加足够大的反向偏置，光生载流子在结附近某区域的强电场下加速，其能量可达到引起晶格碰撞电离的阈值。这种电离过程呈雪崩式链锁反应，因而可得到内部增益。利用这种过程可制出快速灵敏的光检测器，称半导体雪崩光电二极管(APD)。它在长距离、大容量光纤通信系统中得到应用。
60年代以来，半导体外延生长技术迅速发展。利用外延生长技术可以把不同半导体单晶薄膜控制生长在一起，形成异质结或异质结构。适当选择异质结构可以获得一些新的电学特性，如单向注入特性、载流子定域限制效应、负电子亲和势等，在光学上具有窗口效应、光波导特性等。异质结的新特性不仅使原有的光电子器件性能得到很大改善，同时还借以研制成许多新功能器件（如量子阱激光器、双稳态光器件等）。双异质结激光器的发明是异质结研究方面的一个重大成就。采用异质结构以后，激光器有源区可精确控制在 0.1微米量级。把注入载流子和光都局限在这个薄层中，使激光器阈值电流密度降低2～3个量级,达到103安/厘米2以下，从而实现低功耗(毫瓦)，长命寿（外推百万小时）、室温连续波工作等目的。异质结在光电子学中的另一成就是70年代出现的半导体光阴极。以前采用的光阴极材料属正电子亲和势材料 (如Cs3Sb-CsO等)，量子产额很低，且基本上由热电子弛豫时间决定（10-12秒量级）。
