LED的核心结构即为由川一IV族化合物P型半导体和N型半导体，它们的交界面处就形成PN结，亦称为有源区。它具有一般PN结正向导通，反向截止的I-V特性，在一定条件下具有发光特性。在PN结上加正向电压，使P区和N区中空穴和电子互相扩散进入彼此区域，在扩散过程中，进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子不断复合，即可以光子的形式释放出能量。
图1显示了在无偏置电压时的PN结能带图，此时P区和N区处于热平衡状态，导和甄分别为P区和N区的费米能级。在两类半导体结合之前，P型半导体内部充满多余的空穴，而N型半导体内部充满多余的电子，在热平衡状态下，P型半导体和N型半导体内的空穴或者电子都是均匀分布的，因此半导体内部仍然呈现电中性。当两类半导体结合在一起形成PN结后，由于两边载流子浓度的差别，多数载流子将扩散通过结区。电子从N区扩散到P区并填充P区中的空穴，在N区形成正电荷区;而空穴从P区扩散到N区，在P区形成负电荷区，结果在交界处形成了由N区指向P区的内建电场气，它形成的势垒。气阻止电子空穴的进一步扩散。同时，在内建电场的作用下会产生与载流子扩散作用相反的漂移运动，扩散和漂移形成反向的电流，当两电流大小相当时进入如图2所示的平衡状态。因此在无外加偏置电压时，N区的电子和P区的空穴不能发生自然复合，无法发射光子。
图1 无偏置电压时PN结的能带图
在LED的PN结外加反向偏置电压时，即N区接正极，P区接负极，外加电压主要降落在耗尽区，因此耗尽区的宽度向P区及N区分别扩展而加宽，从而提高了势垒高度，阻止多数载流子穿过结区，载流子无法复合故不能发光。其能带图如图2所示，反向电压V,加上内建电场气，使得PN结的势垒变为e（Vo+Vr）。电子离开N区向电极正端运动，但不能从P区得以补充，因此几乎没有反向电流。
图2 反向偏置时PN结的能带图
在LED的PN结外加正向偏置电压时，即N区接负极，P区接正极，则此时耗尽区的宽度和高度都要下降。外加正向电压破坏了原来的热平衡状态，使载流子扩散运动大于漂移运动，P区和N区费米能级分离，势垒下降eV，其能带图如图3所示。同时，正向偏置下有更多的电子和空穴分别从N区和P区经过扩散运动穿过PN结而进入对方区域，大大增加了少数载流子的浓度。通过正向偏置注入的额外少数载流子，将与带有相反电荷的多数载流子复合。这种复合包括辐射复合和非辐射复合。非辐射复合释放的能量消耗在晶格振动上;而辐射复合则产生光子。PN结在正向偏置下由电子注入产生光自发辐射的现象即称为电致发光。光发射主要位于PN结附近的势垒区内载流子发生复合的地方。但由于少数载流子的扩散长度常常远大于势垒宽度，在势垒区外也会发生复合发光。
图3 正向偏置时PN结的能带图
