Известно большое число химических элементов и их соединений, имеющих полупроводниковые свойства. Однако, не все они способны эффективно излучать свет при обычных температурах.
Чаще всего для светодиодов используются полупроводниковые соединения металлов галлия Ga и индия In (например, арсенид галлия GaAs, арсенид-фосфид галлия GaAsP, алюминия галлия арсенид AlGaAs, нитрид галлия GaN, фосфид индия InP).
 |  |
Однако чистые полупроводники не излучают свет при прохождении через них электрического тока. Для излучения света необходимо, чтобы энергия внешнего источника (электрического источника питания) преобразовалась не в форму тепла, а в форму излучения. Такое излучение в светодиоде возникает в результате взаимодействия носителей электрических зарядов с помощью энергии внешнего источника. Чтобы создать условия для такого взаимодействия, в полупроводнике формируют две области с носителями электрических зарядов разных знаков.
Для формирования таких областей чистый полупроводник дозировано обогащается (легируется) примесями других (по отношению к полупроводнику) химических элементов. Это формирует в едином полупроводниковом кристалле две области с разным типом проводимости — с недостатком или избытком носителей отрицательного электрического заряда (электронов), соответственно, это области с проводимостью p— и n-типов.
(p — positive, положительный, т.е. с недостатком носителей отрицательных зарядов, n — negative, отрицательный, то есть с избытком носителей отрицательных зарядов). Между областями возникает тонкая граница, которая называется p-n переходом.
При прохождении электрического тока в p-n переходе происходит взаимодействие разноименных носителей зарядов с высвобождением энергии в виде излучения. Если говорить точнее — происходит излучательная рекомбинация носителей зарядов за счет их инжекции (увеличения концентрации) в область p-n перехода с помощью энергии внешнего источника. Говоря упрощенно — происходит прямое преобразование энергии электрического тока в свет.
Свечение возникает не во всём объеме полупроводника, а только в тонкой граничной области — p-n переходе. Излучаемый в p-n переходе свет распространяется в кристалле полупроводника одинаково по всем направлениям, поэтому переход сформирован так, чтобы вывести из него свет с наименьшими потерями (обычно вблизи поверхности грани кристалла).
Меняя химический состав полупроводника и легирующие примеси, можно создать светодиоды, излучающие свет от ультрафиолетовой (UV, или УФ) до инфракрасной (IR, или ИК) области спектра.
Излучение в светодиоде возникает при переходе между определенными уровнями энергии в весьма узком диапазоне. Эти уровни энергии определяются химическим составом и свойствами самого полупроводника. Поэтому свет, излучаемый светодиодом, занимает такой же узкий диапазон в спектре. Другими словами, светодиод излучает именно определённый цвет, в отличие от лампы накаливания, излучающей все цвета спектра одновременно. Например «красный» светодиод излучает в узкой части спектра, соответствующей красному цвету.
Цвет излучения светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого изготовлен его кристалл, и в некоторой степени — от температуры его p-n перехода.
Излучение лампы накаливания имеет широкий спектр излучения (со смещением максимума в красную и ИК-область), и нужный цвет можно выделить («вырезать») только при помощи светофильтра (пропускающего свет определенного цвета и поглощающего или отражающего остальной свет).