發光二極體是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體製成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-V特性，即正嚮導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）複合而發光，如圖2所示。
假設發光是在P區中發生的，那麼注入的電子與價帶空穴直接複合而發光，或者先被發光中心捕獲后，再與空穴複合發光。除了這種發光複合外，還有些電子被非發光中心（這個中心介於導帶、介帶中間附近）捕獲，而後再與空穴複合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發光的複合量相對於非發光複合量的比例越大，光量子效率就高。由於複合是在少子擴散區內發光的，所以光僅在靠近PN結面數μm以內產生。
理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料禁帶寬度Ｅg有關，即λ≈1240/Eg（mm）；式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。現在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極體，但其中藍光二極體成本、價格很高，使用不普遍。
