כאמור, דיודות פולטות אור פועלות על פי אותו רעיון בסיסי כמו מקורות תאורה מסורתיים – הן מייצרות אור על ידי זרם חשמלי הזורם דרכן. כאן מסתיים הדמיון. בניגוד למקורות תאורה מסורתיים המסתמכים על חום או על תגובה כימית על מנת לייצר תאורה, נוריות LED מסתמכות על מוליך למחצה כמקור האור שלהן. זוהי טכנולוגיה ייחודית המציעה יתרונות טכנולוגיים משמעותיים ופוטנציאל גדול בהרבה להתקדמות מתמשכת.
כדי להסביר כיצד נורות LED פועלות, חשוב להבין תחילה מהו מוליך למחצה וכיצד הוא מתפקד. מוליכים למחצה הם חומרים בעלי יכולת משתנה להוליך זרם חשמלי. דיודות פולטות אור הן חלק מהסוגים הפשוטים ביותר של מוליכים למחצה הקיימים. לרוב המוליכים למחצה נוספו זיהומים כדי לאפשר לאלקטרונים לזרום דרכם, שכן בכוחות עצמם חומר מוליך למחצה טהור הוא מוליך גרוע. כאשר למוליך למחצה נוספו זיהומים, הדבר מכונה סימום.
באופן כללי, מוליכים למחצה אלה עשויים מאלומיניום-גליום-ארסניד (AlGaAs). כאשר החומר הזה מסומם, הוא יכול להוסיף אלקטרונים חופשיים או ליצור חורים בחומר שאליו אלקטרונים יכולים להגיע. כאשר למוליך למחצה יש אלקטרונים נוספים, הוא ידוע כחומר מסוג N מכיוון שיש לו חלקיקים טעונים שלילית במיוחד. כאשר יש חורים נוספים במוליך למחצה, הוא ידוע כחומר מסוג P מכיוון שלמעשה יש לו חלקיקים טעונים חיובית במיוחד.
הבנייה הבסיסית של דיודה מורכבת מקטע של חומר מסוג N וחומר מסוג P המחוברים יחד עם אלקטרודות בכל קצה. בהסדר זה, החשמל מתנהל רק בכיוון אחד. ללא הפעלת מתח, נוצר אזור דלדול בין החומרים מסוג P ו-N, ומחזיר את המוליך למחצה למצב הבידוד המקורי שלו שבו לא יכולים לזרום אלקטרונים או חשמל.
על מנת שאזור ההתרוקנות יוסר, יש להעביר אלקטרונים מאזור מסוג N לאזור מסוג P, כמו גם את החורים בכיוון ההפוך. ברגע שזה קורה דרך מתח משמעותי מספיק, אזור ההתרוקנות מוסר והמטען נע על פני הדיודה. האינטראקציה הזו בין האלקטרונים לחורים היא שיוצרת את האור שנראה ב-LED.
באופן ספציפי, האור שנוצר על ידי נורית LED הוא למעשה תוצאה של שחרור פוטונים מתנועת האלקטרונים האלה מאורביטל אחד של אטום לאחר. ככל שהמרחק בין האורביטלים גדול יותר, כך האנרגיה המשתחררת על ידי אלקטרון במהלך האינטראקציה גדולה יותר ותדירות האור הנוצרת גבוהה יותר. באופן הפוך, ככל שהמרחק בין האורביטלים קצר יותר, כך האנרגיה המשתחררת במהלך האינטראקציה נמוכה יותר והתדר נמוך יותר. תדרים נמוכים יותר נמצאים לעתים קרובות בחלק האינפרא אדום של ספקטרום האור, מה שאומר שהוא בלתי נראה לעין האנושית.
השתנות זו בשינוי המסלול של אלקטרון אחראית למגוון הרחב של אפשרויות טמפרטורת הצבע הזמינות בתאורת LED כיום. בהשוואה לתאורה מסורתית עם טמפרטורות צבע קבועות או מוגבלות, נוריות LED מציעות מגוון כמעט אינסופי של אפשרויות לכל סוג של נורה. למעשה, גופי LED מסוימים מציעים את האפשרות למשתמש לעבור בקלות בין טמפרטורות צבע שונות.
