Diody LED swoje działanie opierają na półprzewodnikach, czyli materiałach, które charakteryzuje przewodnictwo mniejsze niż dla przewodników, lecz większe niż dla izolatorów.

Przewodnictwo jest związane z szerokością pasm energetycznych w danych materiałach. Pasmami energetycznymi nazywa się przedziały dozwolonych energii, które może mieć elektron w danym materiale. Wyróżnia się tzw. pasmo przewodnictwa i walencyjne. Walencyjne jest utożsamione z elektronami walencyjnymi związanymi z jądrem atomu, natomiast przewodnictwa z uwolnionymi elektronami służącymi jako nośnik prądu w ciele stałym. Pasma te powstają poprzez oddziaływanie na siebie niedalekich atomów w strukturze materiału. Dla jednego izolowanego atomu elektron może znajdować się jedynie na pojedynczych liniowych pasmach energetycznych, czyli może mieć konkretne energie i jedynie przeskakiwać między nimi a nie przechodzić w sposób ciągły. Poprzez oddziaływania z sąsiadami w materiałach pasma te stają się ciągłe.

(źródło: Wikipedia)

Jak przedstawiono na grafice wyżej, półprzewodniki charakteryzują się mniejszą przerwą energetyczną pomiędzy pasmami przewodnictwa i walencyjnym od izolatorów, lecz posiadają ją w przeciwieństwie do przewodników.

Elektrony w materiałach można wzbudzać na wyższe poziomy energetyczne za pomocą chociażby zewnętrznego napięcia. Tak właśnie trafia do nich energia w diodach LED. Następnie zachodzi rekombinacja, czyli elektrony, które zyskały na tyle dużo energii, żeby znaleźć się w paśmie przewodnictwa trafiają z powrotem do pasma walencyjnego. Po drodze nie mają jednak dozwolonych stanów, więc całą tę energię tracą naraz. Tracą ją emitując foton o energii równej tej oddanej przez elektron i odpowiadającej szerokości przerwy zabronionej (przerwy energetycznej).

Wiadomo, że diody LED mają różne kolory. Wynika to z różnic w przerwie energetycznej między materiałami. Im większa przerwa tym bardziej niebieskie światło, im mniejsza tym bardziej czerwone, i tak: diody czerwone powstają na bazie fosforku galu, arsenofosforku galu i galoarsenku glinu, a niebieskie na bazie arsenku galu.