Funktionsprinzip
Der prinzipielle Aufbau einer LED entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode, LEDs besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt sind, ist das Ausgangsmaterial für LEDs ein sogenannter III-V-Halbleiter, meist eine Galliumverbindung.
Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten auf die p-dotierte Seite. Bei diesem Übergang kann Licht ausgesendet werden.
III-V-Halbleiter zeichnen sich dabei durch einen direkten Bandübergang aus, das bedeutet, dass die Elektronen auf direktem Wege vom Leitungsband in das Valenzband wechseln können und somit Energie für die Lichterzeugung frei wird.
Im Einzelnen passiert das wie folgt: Die Elektronen wandern zunächst zur Rekombinationsschicht am p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln. Sie rekombinieren mit den dort vorhandenen Löchern. Ein weiterer Ursprung von Photonen besteht in einer plasmonisch-polaronischen Wechselwirkung, die durch einen spinfreien Übergang direkt zur Emission eines Auger-Photoelektrons führt. Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle.
Bei indirekten Halbleitern wie Silizium erfolgt der Wechsel der Elektronen vom Leitungs- in das Valenzband hingegen indirekt, der Impuls der Elektronen wird durch das Kristallgitter aufgenommen und verursacht eine Gitterschwingung (Phononenanregung). Dadurch steht keine Energie für die Aussendung von Licht zur Verfügung. Deshalb leuchtet z.B. eine normale Gleichrichterdiode nicht.
Bandstrukturen zweier Halbleiter
links: direkter Halbleiter (z. B. Galliumarsenid)
rechts: indirekter Halbleiter (z. B. Silizium)
Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt also das Verhalten der Energieübertragung. Im Unterschied zum sehr vereinfachten Bändermodell ist in der Grafik rechts horizontal der Wellenvektor
aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate. Rechts ist kein direkter Strahlungsübergang vom oberen Leitungsband auf das untere Valenzband möglich, da sich nicht nur die Energie, sondern auch der Impuls 
verändert, im Gegensatz zum linken Beispiel (siehe auch Bandlücke).
als Zahlenwertgleichung:
λ(WD): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für die Zahlenwertgleichung in nm, wenn
in eV eingesetzt wird.)
h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10−34 Js = 4,13567 · 10−15 eVs
c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 108 ms−1
WD: Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung angegeben in eV), abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.
Die Größe der Energielücke
' bestimmt die Farbe des ausgesandten Lichtes. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, d.h. infrarotes Licht. Die Zugabe Phosphors vergrößert ihn, was das ausgesandte Licht energiereicher macht, wobei die Wellenlänge abnimmt und die Farbe von Infrarot zu Rot und Gelb übergeht.
Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 % der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast 2 eV, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt.
Der prinzipielle Aufbau einer LED entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode, LEDs besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt sind, ist das Ausgangsmaterial für LEDs ein sogenannter III-V-Halbleiter, meist eine Galliumverbindung.
Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten auf die p-dotierte Seite. Bei diesem Übergang kann Licht ausgesendet werden.
III-V-Halbleiter zeichnen sich dabei durch einen direkten Bandübergang aus, das bedeutet, dass die Elektronen auf direktem Wege vom Leitungsband in das Valenzband wechseln können und somit Energie für die Lichterzeugung frei wird.
Im Einzelnen passiert das wie folgt: Die Elektronen wandern zunächst zur Rekombinationsschicht am p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln. Sie rekombinieren mit den dort vorhandenen Löchern. Ein weiterer Ursprung von Photonen besteht in einer plasmonisch-polaronischen Wechselwirkung, die durch einen spinfreien Übergang direkt zur Emission eines Auger-Photoelektrons führt. Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle.
Bei indirekten Halbleitern wie Silizium erfolgt der Wechsel der Elektronen vom Leitungs- in das Valenzband hingegen indirekt, der Impuls der Elektronen wird durch das Kristallgitter aufgenommen und verursacht eine Gitterschwingung (Phononenanregung). Dadurch steht keine Energie für die Aussendung von Licht zur Verfügung. Deshalb leuchtet z.B. eine normale Gleichrichterdiode nicht.
Bandstrukturen zweier Halbleiter
links: direkter Halbleiter (z. B. Galliumarsenid)
rechts: indirekter Halbleiter (z. B. Silizium)
Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt also das Verhalten der Energieübertragung. Im Unterschied zum sehr vereinfachten Bändermodell ist in der Grafik rechts horizontal der Wellenvektor
aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate. Rechts ist kein direkter Strahlungsübergang vom oberen Leitungsband auf das untere Valenzband möglich, da sich nicht nur die Energie, sondern auch der Impuls verändert, im Gegensatz zum linken Beispiel (siehe auch Bandlücke).als Zahlenwertgleichung:
λ(WD): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für die Zahlenwertgleichung in nm, wenn
in eV eingesetzt wird.)h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10−34 Js = 4,13567 · 10−15 eVs
c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 108 ms−1
WD: Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung angegeben in eV), abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.
Die Größe der Energielücke
' bestimmt die Farbe des ausgesandten Lichtes. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, d.h. infrarotes Licht. Die Zugabe Phosphors vergrößert ihn, was das ausgesandte Licht energiereicher macht, wobei die Wellenlänge abnimmt und die Farbe von Infrarot zu Rot und Gelb übergeht.Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 % der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast 2 eV, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt.