LED या लाइट एमिटिंग डायोड, प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए ठोस पदार्थों का उपयोग करते हैं। यह सोडियम वेपर लैंप से बिलकुल अलग है, जिसमें प्रकाश उत्पन्न करने के लिए गैस को गर्म किया जाता है। LED की कार्यप्रणाली अर्धचालकों (semiconductors) पर आधारित है, जो ऐसी सामग्री हैं जिनमें कंडक्टर (जैसे तांबा) और इंसुलेटर (जैसे रबर) के बीच के गुण होते हैं।

शुद्ध अर्धचालक, जैसे कि सिलिकॉन, अपने आप में बहुत अच्छी तरह से बिजली का संचालन नहीं करते हैं। उनकी चालकता बढ़ाने के लिए, हम उनमें जानबूझकर अशुद्धियाँ मिलाते हैं। इस प्रक्रिया को डोपिंग कहा जाता है। हम किस प्रकार की अशुद्धि मिलाते हैं, इसके आधार पर दो प्रकार के अर्धचालक बनते हैं: N-टाइप और P-टाइप।

N-टाइप अर्धचालक तब बनता है जब हम सिलिकॉन में फॉस्फोरस जैसी अशुद्धि मिलाते हैं, जिसके बाहरी शेल में पांच इलेक्ट्रॉन होते हैं। सिलिकॉन के चार इलेक्ट्रॉन फॉस्फोरस के चार इलेक्ट्रॉनों के साथ बंध बना लेते हैं, लेकिन पांचवां इलेक्ट्रॉन मुक्त रह जाता है। यह अतिरिक्त, मुक्त इलेक्ट्रॉन पदार्थ में घूमने के लिए स्वतंत्र होता है, जिससे यह एक नकारात्मक (Negative) चार्ज वाहक बन जाता है। इसीलिए इसे N-टाइप कहा जाता है।

P-टाइप अर्धचालक तब बनता है जब हम बोरॉन जैसी अशुद्धि मिलाते हैं, जिसके बाहरी शेल में केवल तीन इलेक्ट्रॉन होते हैं। जब बोरॉन सिलिकॉन क्रिस्टल में एक परमाणु की जगह लेता है, तो एक बंधन अधूरा रह जाता है। इस fehlende इलेक्ट्रॉन की जगह को इलेक्ट्रॉन होल या सिर्फ "होल" कहा जाता है। यह होल एक सकारात्मक (Positive) चार्ज की तरह व्यवहार करता है, क्योंकि यह आस-पास के बंधनों से एक इलेक्ट्रॉन को आकर्षित कर सकता है, जिससे होल अपनी जगह बदल लेता है। इसे P-टाइप कहा जाता है।

LED का असली जादू तब होता है जब हम P-टाइप और N-टाइप सामग्री को एक साथ मिलाते हैं, जिससे P-N जंक्शन बनता है। जब ये दो सामग्रियां संपर्क में आती हैं, तो N-साइड से मुक्त इलेक्ट्रॉन तुरंत P-साइड में होल्स को भरने के लिए जंक्शन के पार चले जाते हैं।

इस प्रक्रिया से जंक्शन के पास एक ऐसा क्षेत्र बनता है जिसमें कोई मुक्त आवेश वाहक (न तो इलेक्ट्रॉन और न ही होल) नहीं होते हैं। इस क्षेत्र को डिप्लेशन रीजन या अवक्षय क्षेत्र कहा जाता है। यह क्षेत्र एक अवरोध की तरह काम करता है जो और अधिक इलेक्ट्रॉनों को जंक्शन पार करने से रोकता है।

जब हम बैटरी का उपयोग करके P-N जंक्शन पर एक वोल्टेज लगाते हैं (जिसे फॉरवर्ड बायसिंग कहा जाता है), तो बाहरी विद्युत क्षेत्र डिप्लेशन रीजन के अवरोध को कमजोर कर देता है। यह N-साइड से इलेक्ट्रॉनों और P-साइड से होल्स को जंक्शन की ओर धकेलता है, जहाँ वे मिलते हैं और पुनर्संयोजन (recombine) करते हैं।

एक अर्धचालक में, इलेक्ट्रॉन केवल कुछ निश्चित ऊर्जा स्तरों पर ही मौजूद हो सकते हैं, जो ऊर्जा बैंड में समूहित होते हैं। भरे हुए ऊर्जा स्तरों के उच्चतम बैंड को वैलेंस बैंड कहा जाता है, और खाली ऊर्जा स्तरों के सबसे निचले बैंड को कंडक्शन बैंड कहा जाता है। इन दोनों के बीच के ऊर्जा अंतर को बैंड गैप कहा जाता है।

जब कंडक्शन बैंड में एक इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड में एक होल के साथ पुनर्संयोजन करता है, तो वह ऊर्जा खो देता है। यह खोई हुई ऊर्जा एक फोटॉन के रूप में निकलती है। उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा (और इसलिए उसका रंग) सीधे बैंड गैप की चौड़ाई पर निर्भर करती है।

बड़े बैंड गैप वाली सामग्रियां उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉन (जैसे नीला या बैंगनी प्रकाश) उत्सर्जित करती हैं, जबकि छोटे बैंड गैप वाली सामग्रियां निम्न-ऊर्जा वाले फोटॉन (जैसे लाल या इन्फ्रारेड प्रकाश) उत्सर्जित करती हैं। यही कारण है कि LED विभिन्न रंगों में आते हैं, वे बस विभिन्न बैंड गैप वाली सामग्रियों से बने होते हैं।

कुशल प्रकाश उत्सर्जन के लिए, LED को डायरेक्ट बैंडगैप अर्धचालक की आवश्यकता होती है। इन सामग्रियों में, एक इलेक्ट्रॉन सीधे एक होल के साथ पुनर्संयोजन कर सकता है और एक फोटॉन उत्सर्जित कर सकता है।

इनडायरेक्ट बैंडगैप अर्धचालकों (जैसे सिलिकॉन) में, पुनर्संयोजन के लिए इलेक्ट्रॉन को न केवल ऊर्जा बल्कि संवेग (momentum) भी बदलना पड़ता है। इस प्रक्रिया में एक फोटॉन के बजाय ज्यादातर गर्मी निकलती है, यही कारण है कि सिलिकॉन का उपयोग प्रकाश उत्सर्जक उपकरणों के लिए नहीं किया जाता है।