با اتصال دیود به باتری، الکترون ها در مدار شروع به حرکت می کنند. به این تعصب مستقیم می گویند. برای اینکه الکترون به راحتی از ناحیه تخلیه عبور کند، ولتاژ اعمال شده به دیود باید بیشتر از مقدار معینی باشد. مقدار این ولتاژ برای دیودهای سیلیکونی حدود 0.565 ولت است. اما ال ای دی های قرمز به ولتاژ بالاتری در حدود 1.751 ولت نیاز دارند تا جریان الکتریکی را از خود عبور داده و روشن کنند.
بیایید کمی عمیق تر حفاری کنیم و ساختار دایمرها را در مقیاس اتمی بررسی کنیم. بر اساس مدل اتمی بور، هسته یک اتم در مرکز قرار دارد و الکترون ها در لایه هایی به نام اوربیتال به دور هسته می چرخند. هر لایه مداری حاوی تعداد معینی الکترون است. هر الکترون برای قرار گرفتن در لایه خاصی باید انرژی خاصی داشته باشد. به عبارت دیگر الکترون های هر لایه دارای انرژی خاصی هستند. انرژی الکترون ها در لایه های دور از هسته بیشتر است.
لایه بیرونی لایه خازنی نامیده می شود و لایه رسانا بعد از آن قرار می گیرد. با رسیدن به لایه رسانا، الکترون ها از پیوندهای اتم آزاد می شوند و می توانند به راحتی حرکت کنند. در مواد رسانا مانند مس، لایه رسانا بسیار نزدیک به لایه خازنی است. بنابراین، الکترون ها می توانند به راحتی حرکت کنند. اما در یک ماده عایق مانند پلاستیک، لایه رسانا در فاصله زیادی از لایه خازنی قرار می گیرد. بنابراین، الکترون ها نمی توانند به راحتی از لایه ظرفیت به لایه رسانایی حرکت کنند. در نیمه هادی ها مانند سیلیکون، لایه رسانا در فاصله کمی از لایه خازنی قرار دارد. سیلیکون به طور معمول به عنوان یک عایق عمل می کند، اما زمانی که ولتاژ اعمال می شود، الکترون ها می توانند از لایه خازنی به لایه رسانایی بپرند و آزادانه در ساختار سیلیکونی حرکت کنند.
در دیودهای سیلیکونی معمولی، الکترون از لایه رسانایی نیمه هادی نوع N (سیلیکون نوع N) به لایه ظرفیت نیمه هادی نوع P (سیلیکون نوع P) می پرد. لایه خازنی انرژی کمتری نسبت به لایه رسانا دارد، بنابراین الکترون برای رسیدن به لایه پایین باید مقداری انرژی از دست بدهد. از دست دادن انرژی الکترون با آزاد شدن فوتون همراه است. در سیلیکون، الکترون باید انرژی برابر با 1.1 مگا ولت از دست بدهد. طول موج فوتون با این انرژی حدود 1127 نانومتر است. این بدان معنی است که دیود سیلیکونی نور مادون قرمزی را منتشر می کند که توسط چشم انسان قابل مشاهده نیست.
به جای سیلیکون از مخلوط گالیم و آرسنیک می توانیم نیمه هادی بسازیم و با افزودن ناخالصی به این مخلوط، لایه های N و P تشکیل دهیم. فاصله بین سطوح خازنی و رسانایی در این نیمه هادی 1.424 مگا ولت است و طول موج این انرژی حدود 870 نانومتر است. این طول موج بسیار کوتاهتر از طول موج ناحیه مادون قرمز است، اما هنوز تا رسیدن به طول موج نور مرئی فاصله دارد.
طول موج یک فوتون در دیودهای معمولی با چشم انسان قابل مشاهده نیست
در زیر پژوهشگران پیدایش آورده شده اند گالیوم و فسفر دوئت می ساختند. فاصله بین سطوح خازنی و رسانایی در این ماده 2.26 مگا ولت و طول موج این انرژی حدود 548 نانومتر است. این طول موج بسیار ایده آل است زیرا در محدوده نور مرئی قرار دارد و چشم انسان به راحتی می تواند آن را سبز ببیند.
محققان همچنین به این نتیجه رسیدند که با ترکیب این سه عنصر گالیوم، آرسنیک و فسفر (GaAsP) می تواند دیودهای ساطع کننده نور از هر رنگی بین سبز و قرمز بسازد. به عنوان مثال، با ترکیب 60٪ آرسنید گالیم (GaAs) و 40٪ فسفر گالیم (GaP)، یک GaAsP نیمه رسانا با یک شکاف انرژی (فاصله بین سطوح هدایت و ظرفیت) 1.7584 eV (طول موج 705 نانومتر) به دست می آید. این طول موج متعلق به نور قرمز است.