Principio de funcionamiento
Una unión P-N puede proporcionar una corriente eléctrica al ser iluminada. Análogamente una unión P-N recorrida por una corriente directa puede emitir fotones luminosos. Son dos formas de considerar el fenómeno de la electroluminiscencia. En el segundo caso esta podría definirse como la emisión de luz por un semiconductor cuando está sometido a un campo eléctrico. Los portadores de carga se recombinan en una unión P-N dispuesta en polarización directa. En concreto, los electrones de la región N cruzan la barrera de potencial y se recombinan con los huecos de la región P. Los electrones libres se encuentran en la banda de conducción mientras que los huecos están en la banda de valencia. De esta forma, el nivel de energía de los huecos es inferior al de los electrones. Al recombinarse los electrones y los huecos una fracción de la energía se emite en forma de calor y otra fracción en forma de luz.
El fenómeno físico que tiene lugar en una unión PN al paso de la corriente en polarización directa, por tanto, consiste en una sucesión de recombinaciones electrón-hueco. El fenómeno de la recombinación viene acompañado de la emisión de energía. En los diodos ordinarios de Germanio o de Silicio se producen fonones o vibraciones de la estructura cristalina del semiconductor que contribuyen, simplemente, a su calentamiento. En el caso de los diodos led, los materiales semiconductores son diferentes de los anteriores tratándose, por ejemplo, de aleaciones varias del tipo III-V como son el arseniuro de galio ( AsGa ), el fosfuro de galio (PGa) o el fosfoarseniuro de galio (PAsGa ).
En estos semiconductores, las recombinaciones que se desarrollan en las uniones PN eliminan el exceso de energía emitiendo fotones luminosos. El color de la luz emitida depende directamente de su longitud de onda y es característico de cada aleación concreta. En la actualidad se fabrican aleaciones que producen fotones luminosos con longitudes de onda en un amplio rango del espectro electromagnético dentro del visible, infrarrojo cercano y ultravioleta cercano. Lo que se consigue con estos materiales es modificar la anchura en energías de la banda prohibida, modificando así la longitud de onda del fotón emitido. Si el diodo led se polariza inversamente no se producirá el fenómeno de la recombinación por lo que no emitirá luz. La polarización inversa puede llegar a dañar al diodo.
El comportamiento eléctrico del diodo led en polarización directa es como sigue. Si se va incrementando la tensión de polarización, a partir de un cierto valor (que depende del tipo de material semiconductor), el led comienza a emitir fotones, se ha alcanzado la tensión de encendido. Los electrones se pueden desplazar a través de la unión al aplicar a los electrodos diferentes tensiones; se inicia así la emisión de fotones y conforme se va incrementando la tensión de polarización, aumenta la intensidad de luz emitida. Este aumento de intensidad luminosa viene emparejado al aumento de la intensidad de la corriente y puede verse disminuida por la recombinación Auger. Durante el proceso de recombinación, el electrón salta de la banda de conducción a la de valencia emitiendo un fotón y accediendo, por conservación de la energía y momento, a un nivel más bajo de energía, por debajo del nivel de Fermi del material. El proceso de emisión se llama recombinación radiativa, que corresponde al fenómeno de la emisión espontánea. Así, en cada recombinación radiativa electrón-hueco se emite un fotón de energía igual a la anchura en energías de la banda prohibida: 
siendo c la velocidad de la luz y f y λ la frecuencia y la longitud de onda, respectivamente, de la luz que emite. Esta descripción del fundamento de la emisión de radiación electromagnética por el diodo led se puede apreciar en la figura donde se hace una representación esquemática de la unión PN del material semiconductor junto con el diagrama de energías, implicado en el proceso de recombinación y emisión de luz, en la parte baja del dibujo. La longitud de onda de la luz emitida, y por lo tanto su color, depende de la anchura de la banda prohibida de energía. Los substratos más importantes disponibles para su aplicación en emisión de luz son el GaAs y el InP. Los diodos led pueden disminuir su eficiencia si sus picos de absorción y emisión espectral en función de su longitud de onda están muy próximos, como ocurre con los ledes de GaAs:Zn (arseniuro de galio dopado con zinc) ya que parte de la luz que emiten la absorben internamente.
Los materiales utilizados para los ledes tienen una banda prohibida en polarización directa cuya anchura en energías varía desde la luz infrarroja, al visible o incluso al ultravioleta próximo. La evolución de los ledes comenzó con dispositivos infrarrojos y rojos de arseniuro de galio. Los avances de la ciencia de materiales han permitido fabricar dispositivos con longitudes de onda cada vez más cortas, emitiendo luz en una amplia gama de colores. Los ledes se fabrican generalmente sobre un sustrato de tipo N, con un electrodo conectado a la capa de tipo P depositada en su superficie. Los sustratos de tipo P, aunque son menos comunes, también se fabrican.