Leuchtdioden sind pn-Halbleiterdioden. Grundlage bildet ein Kristall aus Einheiten, die im Mittel vier Valenzelektronen enthalten. Das kann ein Material aus der IV. Hauptgruppe des Periodensystems sein (z.B. Silicium) oder eine Verbindung aus Elementen der III. und V. Hauptgruppe (z.B. GalliumArsenid). Das Kristallgitter ist von den Verbindungen der einzelnen Elemente mit vier Nachbarelementen geprägt.

Währen des Wachstumsprozesses wird eine Seite mit Atomen der V. Hauptgruppe dotiert. Diese Atome bringen ein zusätzliches (negatives) Elektron in den Kristall ein. Es wird durch den positiven Atomkern gehalten, ist aber nicht fest in das Kristallgitter eingebunden, also frei beweglich. Dieser frei bewegliche negative Ladungsträger bezeichnet den Kristall als n (negativ) dotiert. Die andere Seite wird mit Atome der III. Hauptgruppe dotiert, die genau gegen-gleich einen frei beweglichen positiven Ladungsträger einbringen: Ein fehlendes Elektron, das auch als Loch bezeichnet wird, und durch den negativen Atomkern gehalten wird.

mit Aluminium p-dotierter Siliziumkristall

mit Phosphor n-dotierter Siliziumkristall

Im Bereich in dem p- und n-dotierte Kristallhälften direkt aufeinander treffen, können einige der Elektronen aus dem n-dotierten Bereich sich so weit von ihren positiven Atomkerne entfernen und so nah an die negativen Atomkerne der p-dotierten Hälfte annähern (oder die Löcher sich entfernen), dass sie die Löcher auffüllen (oder Löcher und Elektronen rekombinieren). Es entsteht eine Raumladungszone oder Sperrschicht.

Elektronen, die auf der n-dotierten Seite (“Kathode”) zugeführt werden, können sich im n-dotierten Bereich frei bewegen, genauso Löcher, die auf der p-dotierten Seite (“Anode”) zugeführt werden. Legt man eine Spannung in Durchlassrichtung an, so dass der Strom von der Anode zur Kathode fließt (Achtung: technische Stromrichtung!), werden immer weitere Elektronen und Löcher zugeführt, die in der Sperrschicht rekombinieren können. Die Energie, die dabei frei wird, wird als Gitterschwingung (Phonon) an den Kristall abgegeben und erwärmt diesen oder als Licht (Photon) abgestrahlt.

Dieser Übergang, bei Energie und Impuls erhalten sein müssen, ist im Bändermodell einfacher zu visualisieren. Die einzelnen Energieniveaus der Atome verschmieren wegen der periodischen Anordnung der Atome im Kristall zu einem Valenzband und einem Leitungsband die energetisch durch eine Bandlücke getrennt sind. Fest im Kristallgitter gebundene Elektronen befinden sich im Valenzband, frei bewegliche Elektronen im Leitungsband. Auf der n-dotierten Seite ist folglich das Valenzband voll und einige Elektronen befinden sich im Leitungsband; sie stammen vom Donatorniveau. Auf der p-dotierten Seite ist im Valenzband noch Platz, da einige Elektronen durch das Akzeptorniveau gebunden wurden; das Leitungsband ist leer.

Die Bandlücke ΔE legt fest, welche Wellenlänge das emittierte Licht hat. Durch geschickte Wahl der Materialien kann die Farbe des Lichts einer LED festgelegt werden.

Für blaue LEDs, die normalerweise die Grundlage für alle weißen LEDs bilden, wird Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) verwendet.

Verschiedenfarbige LEDs können dann auch kombiniert werden. Eine rote, eine grüne und eine blaue LED ergeben zusammen beispielsweise für das menschliche Auge weißes Licht.

Wesentlich häufiger wird aber eine blaue LED mit einem Leuchtstoff kombiniert um für das menschliche Auge weißes Licht zu erzeugen. Der Leuchtstoff wandelt einen Teil des blauen Lichts in grünes, gelbes und rotes Licht um, so dass der gesamte für den Menschen sichtbare Spektralbereich abgedeckt ist.

Handelsübliche weiße LEDs bestehen aus einer blauen LED mit einem Leuchtstoff im gelben Bereich. Je nach Breite und Menge des Leuchtstoffs lässt sich die Farbwiedergabe zwischen 70 und 80 und die Farbtemperatur variieren. Das Spektrum hatte gewisse Ähnlichkeiten mit dem Spektrum der Leuchtstoffröhren aus den 1950ern, die LEDs erreichen auch ähnliche Farbwiedergabewerte.

Mit mehr als einem Leuchtstoff ist ein stärker kontinuierliches Spektrum mit Farbwiedergabeindex größer als 90 möglich.

Eine große Rolle bei der Effizienz einer LED spielen die elektrischen Kontakte und die Wärmeabführung. Die elektrischen Kontakte dürfen kein Licht schlucken müssen aber den Halbleiter trotzdem gleichmäßig mit Strom versorgen. Da die Effizienz von LEDs bisher noch gering ist, muss die entstehende Wärme abgeführt werden. Andernfalls führt die hohe Temperatur zu starken Gitterschwingungen, die Schäden im Halbleiterkristall verursachen und somit die LED zerstören.

DIP (dual in-line package) bezeichnet eine Bauform für elektronische Bauteile, die zwei Reihen von Anschlussstiften (Pins) haben, mit denen sie auf Platinen gelötet werden können.

SMD (surface mounted device) bezeichnet eine Bauform für elektronische Bauteile, die direkt über die Fläche auf einen elektrischen Kontakt gelötet werden.

Das Spektrum einer typischen LED, z.B. diese 4400 K LED hat eine Verteilung bei der 41 W/m² Strahlungsleistung 14300 lx entsprechen. Wenn die Lampe allen elektrischen Strom komplett in Strahlung umwandeln könnte, hätte sie 14300/41 = 350 lm/W. Typische LED-Lampen haben aktuell (2024) 80 bis 100 lm/W. D.h. es wird nur etwa 1/4 der elektrischen Energie in Licht umgewandelt. Die übrigen 75% sind Verluste bei der Umwandlung der Netzspannung in der Vorschaltelektronik, der Spannungszuführung zur Halbleiterdiode bei der Erzeugung des blauen Lichts im Halbleiterkristall und bei der Umwandlung des blauen Lichts in grün-orange-rotes Licht im Leuchtstoff. Die Verluste führen zur Erwärmung des Vorschaltgeräts und der LED-Diode selbst. Die entstehende Wärme in der LED-Diode muss abgeführt werden um eine zu stärke Erhitzung und damit Schädigung des Halbleiterkristalls und des Leuchtstoffs zu verhindern.

LEDs strahlen Licht im Bereich von 450-650nm ab. Diese Strahlung wirkt, wenn sie vom Bodengrund oder dem Reptil absorbiert wird, als Wärme. Licht ohne Wärme ist daher physikalisch nicht möglich. Das Spektrum von Leuchtstoffröhren und LEDs ist sehr ähnlich (eng begrenzt auf 400-700nm, kein IR oder UV), daher heizen LEDs und Röhren ein Terrarium bei gleicher Lichtmenge ähnlich stark auf.

Häufig werden LEDs jedoch mit sehr geringer Leistung eingesetzt, häufig 1-8W. Diese Systeme erzeugen tatsächlich nur sehr wenig Wärme, jedoch gleichzeitig auf sehr wenig Licht.

Mit einer entsprechend leistungsstarken LED fühlt man die Wärme der sichtbaren Strahlung auch deutlich. Hier ein eindrucksvolles Beispiel einer 5000W-LED, mit der man sogar Spiegeleier braten kann: https://www.youtube.com/watch?v=A4u2xmk5Qys

Die Firma S-ET stellt verschiedene UV-LEDs mit Maximum zwischen 240nm und 355nm her.