LED芯片通常用Ⅲ～V族化合物半导体（如GaAs、GaP或GaN等）材料作衬底，其核心是PN结。高纯半导体的电阻率很高，如果在其中故意进行掺杂，就能改变其导电性。例如，在IV族元素硅（Si）中掺杂V族元素砷（As），就形成导带中具有电子的N型材料（N区），在硅中掺入Ⅲ族元素镓（Ga），就能形成价带中有空穴的P型材料（P区）；若在硅晶体中一半掺杂砷，另一半掺杂镓，则在两半之间的边界上形成一个PN结。

LED的发光原理如图1-2所示。跨过PN结，电子从N区扩散到P区，而空穴则从P区扩散到N区，如图1-2a所示。作为这一相互扩散的结果，在PN结处形成一个高度为eΔU的势垒，阻止电子和空穴进一步扩散，达到平衡状态，如图1-2b所示。当PN结加正向电压时，即P区接电源正极，N区接负极，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强，电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主体。进入对方区域的少数载流子的一部分会与多数载流子复合，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量（接近半导体材料的禁带宽度E_g）以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近，也就是杂质能级或者缺陷）捕获，不能形成可见光，如图1-2c所示。为了提高LED的发光效率，应尽量减少产生无辐射复合中心的晶格缺陷和杂质浓度，减少无辐射复合过程。

图1-2 LED的工作原理

a）电子和空穴扩散 b）形成势垒 c）复合发光(www.daowen.com)

LED所发光的峰值波长不同导致所发光的颜色不同，比如若要产生可见光，波长应在380～780nm之间，理论和实践证明，其峰值发光波长λ₀取决于选用半导体材料的禁带宽度E_g，二者关系式为

λ₀≈1240/E_g （1-1）

式中，l₀的单位为nm；E_g的单位为eV（电子伏特）。

不同的LED制造材料，可以产生具有不同能量的光子，即产生不同波长的光子。LED光源使用的第一种材料是砷化镓（GaAs），其发出的光线为红外线；另一种常用的材料为磷化镓（GaP），其发出的光线为绿光。通常，把用GaAs（改进制作工艺后可发红光）、GaP（发绿光）、GaN（发蓝光）这些用两种元素生产的LED称为二元素LED；把Ga、As、P三种元素生产的LED称为三元素LED；目前最新的工艺是用混合铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）、氮（N）四种元素生产的LED，称为四元素LED。四元素LED的颜色可以涵盖所有可见光及部分紫外线的光谱范围。