Einfache Leuchtdioden beruhen auf einem schlichten pn- Übergang: Es gibt eine Halbleiterschicht mit Elektronenüberschuss (n-leitend) und eine p-leitende Schicht, in der „Löcher” überwiegen. Löcher sind positive Ladungen, da hier Elektronen fehlen. Den Überschuss an Elektronen beziehungsweise Löchern erreicht man durch Dotieren: durch gezieltes Verunreinigen des Halbleitermaterials mit Atomen anderer chemischer Elemente. Fließt Strom durch den Halbleiterkristall, vereinigen sich in der Übergangsschicht zwischen n-leitendem und p-leitendem Bereich Elektronen und Löcher. Bei dieser Rekombination wird Licht abgestrahlt. Seine Frequenz hängt von der „Bandlücke” ab, die wiederum eine für das verwendete
Material charakteristische Größe ist.
Die Dicke der einzelnen Schichten beträgt wenige Mikrometer. Bei den meisten heute verwendeten LEDs ist der Aufbau komplexer. Die aktive Schicht besteht aus mehreren Indium-Galliumnitrid-Quantenfilmen (quantum wells), die nur wenige Nanometer dick sind. In diesen extrem dünnen Lagen vereinigen sich (rekombinieren) die Ladungsträger – je ein Elektron mit einem Loch – und emittieren Licht. Indium-Gehalt und Dicke der Quantenfilme bestimmen die Wellenlänge des Lichts. Umgebende Schichten aus Gallium- und Aluminiumnitrid sorgen dafür, dass die Ladungsträger in den Quantenfilmen festgehalten werden.
