Відома велика кількість хімічних елементів і їх з’єднань, що мають напівпровідникові властивості. Однак, не всі вони здатні ефективно випромінювати світло при звичайних температурах.
Найчастіше для світлодіодів використовуються напівпровідникові сполуки металів галію Ga і індію In (наприклад, арсенід галію GaAs, арсенід-фосфід галію GaAsP, алюмінію галію арсенід AlGaAs, нітрид галію GaN, фосфід індію InP).
 |  |
Однак чисті напівпровідники не випромінюють світло при проходженні через них електричного струму. Для випромінювання світла необхідно, щоб енергія зовнішнього джерела (електричного джерела живлення) перетворилася не в форму тепла, а в форму випромінювання. Таке випромінювання в світлодіоді виникає в результаті взаємодії носіїв електричних зарядів за допомогою енергії зовнішнього джерела. Щоб створити умови для такої взаємодії, в напівпровіднику формують дві області з носіями електричних зарядів різних знаків.
Для формування таких областей чистий напівпровідник дозовано збагачується (легується) домішками інших (по відношенню до напівпровідника) хімічних елементів. Це формує в єдиному напівпровідниковому кристалі дві ділянки з різним типом провідності – з недоліком або надлишком носіїв негативного електричного заряду (електронів), відповідно, це області з провідністю p- і n-типів.
(р – positive, позитивний, тобто з нестачею носіїв негативних зарядів, n – negative, негативний, тобто з надлишком носіїв негативних зарядів). Між областями виникає тонка межа, яка називається p-n переходом.
При проходженні електричного струму в p-n переході відбувається взаємодія різнойменних носіїв зарядів з вивільненням енергії у вигляді випромінювання. Якщо говорити точніше – відбувається випромінювальна рекомбінація носіїв зарядів за рахунок їх інжекції (збільшення концентрації) в область p-n переходу з допомогою енергії зовнішнього джерела. Говорячи спрощено – відбувається пряме перетворення енергії електричного струму в світло.
Світіння виникає не в повному обсязі напівпровідника, а тільки в тонкій граничної області – p-n переході. Випромінюється в p-n переході світло поширюється в кристалі напівпровідника однаково в усіх напрямках, тому перехід сформований так, щоб вивести з нього світло з найменшими втратами (зазвичай поблизу поверхні грані кристала).
Змінюючи хімічний склад напівпровідника і легуючі домішки, можна створити світлодіоди, що випромінюють світло від ультрафіолетової (UV, або УФ) до інфрачервоної (IR, або ІК) області спектра.
Випромінювання в світлодіоді виникає при переході між певними рівнями енергії в досить вузькому діапазоні. Ці рівні енергії визначаються хімічним складом і властивостями самого напівпровідника. Тому світло, що випромінюється світлодіодом, займає такий же вузький діапазон в спектрі. Іншими словами, світлодіод випромінює саме певний колір, на відміну від лампи розжарювання, що випромінює всі кольори спектра одночасно. Наприклад «червоний» світлодіод випромінює у вузькій частині спектру, відповідної червоному кольору.
Колір випромінювання світлодіода залежить від напівпровідникового матеріалу, з якого виготовлений його кристал, і в деякій мірі – від температури його p-n переходу.
Випромінювання лампи розжарювання має широкий спектр випромінювання (зі зміщенням максимуму в червону і ІК-область), і потрібний колір можна виділити («вирізати») тільки за допомогою світлофільтра (пропускає світло певного кольору і поглинає або відображає решту світла).