Puolijohdelaite, joka tunnetaan nimellä LED, koostuu LED-suulakkeesta (sirusta) ja muista osista, jotka toimivat mekaanisena tukena, sähköliitäntöinä, lämpöjohtimina, optisina säätiminä ja aallonpituusmuuntimina. LED-sirun perusrakenne on pn-liitoslaite, joka on valmistettu yhdistelmäpuolijohdekerroksista, joissa on vastakkaisia lisäaineita. Galliumnitridillä (GaN), yhdistepuolijohteella, jota käytetään usein, on suora kaistaväli, mikä lisää säteilyn rekombinaation todennäköisyyttä verrattuna puolijohteisiin, joissa on epäsuora kaistaväli. Kun pn-liitos on esijännitetty eteenpäin, elektronit n-tyypin puolijohdekerroksen johtavuuskaistalta kulkevat rajakerroksen p-liitokseen, jossa ne yhdistyvät uudelleen p-tyypin puolijohdekerroksen reikiin diodin aktiivisella alueella. Elektronit laskeutuvat alempaan energiatilaan elektroni-aukkorekombinaation seurauksena ja ylimääräinen energia vapautuu fotoneina (valopaketteina). Elektroluminesenssi on tämän ilmiön nimi. Fotoni voi kuljettaa kaikki sähkömagneettisen energian aallonpituudet. Puolijohteen energiakaistaväli määrää diodin lähettämän valon tarkat aallonpituudet.
LED-sirun elektroluminesenssi tuottaa valoa rajoitetulla aallonpituusalueella ja tyypillisellä muutaman kymmenen nanometrin kaistanleveydellä. Kapeakaistaisen säteilyn valo on vain yksivärinen, kuten punainen, sininen tai vihreä. LED-sirun spektritehojaon (SPD) leveyttä on suurennettava, jotta saadaan aikaan laaja spektrinen valkoinen valonlähde. Loisteaineissa oleva fotoluminesenssi muuttaa LED-sirun elektroluminesenssin osittain tai kokonaan. Useimmat valkoiset LEDit sekoittuvat loisteaineista tulevan pidemmän aallonpituisen valon ja InGaN-sinisten sirujen lyhyen aallonpituuden säteilyn. Loisteainejauhe levitetään matriisiin, joka on valmistettu piistä, epoksista tai muun tyyppisestä hartsista. LED-sirun pinnoite on valmistettu loisteainematriisista. Pumppaamalla punaista, vihreää ja sinistä loisteainetta ultravioletti (UV) tai violetti LED-sirun kanssa, voidaan myös tuottaa valkoista valoa. Tässä tilanteessa tuloksena oleva valkoinen voi kuvata värejä tarkemmin. Kuitenkin johtuen merkittävästä aallonpituusmuutoksesta ja huomattavasta Stokes-energiahäviöstä, joka liittyy UV- tai violetin valon muuntamiseen alaspäin, tällä menetelmällä on alhainen hyötysuhde.
