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Der Anwendungsbereich der LEDs umfasste zunächst in den 1970er- und 1980er-Jahren aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Farben hauptsächlich Anzeigeelemente wie beispielsweise Statusanzeigen mit den Farben rot, orange, gelb und gelb-grün. Sie ersetzten dabei kleinere Glühlampen oder Glimmlampen. Dieser Anwendungsbereich umfasst auch Anzeigen wie beispielsweise Siebensegmentanzeigen oder Matrixanzeigen, in welchem sie spezielle Elektronenröhren, wie die Fluoreszenzanzeige und deren Vorgänger, die Nixie-Röhre, ablöste.

Seit Beginn der LED ergaben sich auch Anwendungen zur Signalübertragung, wo die Leuchtdiode in ihrer Funktion nicht unbedingt für den Benutzer optisch sichtbar ist und wo Leuchtdioden bis heute dominierend sind. Beispiele sind infrarote LEDs in Infrarotfernsteuerungen, in Lichtschranken oder in Optokopplern zur galvanischen Trennung elektrischer Stromkreise.

Mit der Marktverfügbarkeit von leistungsfähigen und kostengünstigen blauen (und damit auch weißen) Leuchtdioden seit den 2000er-Jahren etablieren sich LEDs in nahezu allen Anwendungen der Beleuchtung. Neben der Raumbeleuchtung oder Straßenbeleuchtung werden LEDs auch in Taschenlampen, LED-Scheinwerfern sowie bei Flutlichtanlagen und bei der Effektbeleuchtung eingesetzt, z. B. in beleuchteten Möbeln, Vitrinen, Rahmen oder auch bei Bekleidungsstücken, bei denen schmale und teilweise versteckte LED-Streifen für eine angenehme indirekte Beleuchtung und Raumatmosphäre sorgen sollen. Es gibt heute eine Vielfalt von LED-Leuchtmitteln, darunter auch LED-Leuchtfaden-Lampen, die einerseits das Aussehen von traditionellen Kohlefaden-Glühlampen imitieren, während lichtstärkere Typen dem Erscheinungsbild der Glühlampe mit Wolframglühfaden ähneln.

Gleichzeitig mit der Verfügbarkeit leistungsfähiger Leuchtdioden für Beleuchtungszwecke kamen auch Signalisierungen mit höherer Lichtausbeute hinzu, wie bei Verkehrsampeln, als Rücklicht und als Kennleuchten auf Fahrzeugen. Im Jahr 2011 wurde erstmals in Europa ein Flughafenvorfeld mit LEDs beleuchtet: In Innsbruck leuchtet ein System mit 14 hohen Masten eine Fläche von 49.000 m² aus.^[1]

Ein weiterer Anwendungsbereich von LEDs ist die Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallbildschirmen, da LEDs eine langzeitstabilere Beleuchtung und zum Teil einen niedrigeren Strombedarf als Kaltkathodenlampen aufweisen. Außerdem lassen sich so sehr geringe Bautiefen realisieren. Entsprechende LCD-Fernseher werden umgangssprachlich häufig als LED-Fernseher bezeichnet.

Daneben existieren noch spezielle Einsatzbereiche, welche die spektralen Eigenschaften der eingesetzten Leuchtdioden ausnutzen. Beispiele sind die Medizintechnik, wo unter anderem ultraviolette LEDs zum Polymerisieren von Kunststoffen in der Zahntechnik, rote und infrarote LEDs zur Messung der Sauerstoffsättigung in Pulsoximetern verwendet werden, oder in der Licht-Hauttherapie – auch als LED-Photorejuvenation bekannt.