Come accennato in precedenza, i diodi emettitori di luce funzionano secondo lo stesso concetto di base delle sorgenti luminose tradizionali: generano luce dalla corrente elettrica che scorre attraverso di essi. Tuttavia, è qui che finiscono le somiglianze. A differenza delle sorgenti luminose tradizionali che si basano sul calore o su una reazione chimica per produrre illuminazione, i LED si basano su un semiconduttore per la loro fonte di luce. Questa è una tecnologia unica che offre significativi vantaggi tecnologici e un potenziale molto maggiore per un progresso continuo.
Per spiegare come funzionano i LED, è importante prima capire cos'è un semiconduttore e come funziona. I semiconduttori sono materiali con capacità variabile di condurre corrente elettrica. I diodi emettitori di luce sono alcuni dei tipi più semplici di semiconduttori esistenti. La maggior parte dei semiconduttori ha impurità aggiunte a loro per consentire agli elettroni di fluire attraverso, poiché da soli il materiale semiconduttore puro è un cattivo conduttore. Quando un semiconduttore ha impurità aggiunte, questo è indicato come doping.
In generale, questi semiconduttori sono fatti di alluminio-gallio-arseniuro (AlGaAs). Quando questo materiale è drogato, può aggiungere elettroni liberi o creare buchi nel materiale dove gli elettroni possono andare. Quando un semiconduttore ha elettroni extra, è noto come materiale di tipo N poiché ha particelle cariche negativamente extra. Quando ci sono fori extra nel semiconduttore, è noto come materiale di tipo P poiché ha effettivamente particelle caricate positivamente in più.
La costruzione di base di un diodo consiste in una sezione di materiale di tipo N e di tipo P legata insieme con elettrodi su ciascuna estremità. In questa disposizione, l'elettricità è condotta solo in una singola direzione. Senza tensione applicata, viene creata una zona di esaurimento tra i materiali di tipo P e N, ripristinando il semiconduttore al suo stato isolante originale in cui non possono fluire elettroni o elettricità.
Affinché la zona di esaurimento possa essere rimossa, gli elettroni devono essere spostati dall'area di tipo N all'area di tipo P, così come i fori nella direzione opposta. Una volta che ciò avviene attraverso una tensione abbastanza significativa, la zona di esaurimento viene rimossa e la carica si muove attraverso il diodo. È questa interazione tra gli elettroni e i fori che genera la luce vista in un LED.
Nello specifico, la luce generata da un LED è in realtà il risultato del rilascio di fotoni dal movimento di questi elettroni da un orbitale di un atomo all'altro. Maggiore è la distanza tra gli orbitali, maggiore è l'energia rilasciata da un elettrone durante l'interazione e maggiore è la frequenza della luce prodotta. Inversamente, minore è la distanza tra gli orbitali, minore è l'energia rilasciata durante l'interazione e minore è la frequenza. Le frequenze più basse sono spesso nella porzione infrarossa dello spettro luminoso, il che significa che è invisibile all'occhio umano.
Questa variabilità nel cambiamento orbitale di un elettrone è responsabile dell'ampia gamma di opzioni di temperatura del colore disponibili oggi nell'illuminazione a LED. Rispetto all'illuminazione tradizionale con temperature di colore fisse o limitate, i LED offrono una gamma quasi infinita di possibilità per ogni tipo di lampadina. In effetti, alcuni apparecchi a LED offrono all'utente la possibilità di passare facilmente da una temperatura di colore all'altra.
