Gaismas diodes darbības principus skaidro pusvadītāju fizika.

Viens no galvenajiem parametriem, pēc kura iedala gaismas diodes, ir emitētās gaismas krāsa (viļņa garums). Gaismas diodes emitēto elektromagnētiskā starojuma diapazonu nosaka diodē izmantotais pusvadītāju materiāls:

• alumīnija gallija arsenīdu (AlGaAs) izmanto sarkanai un infrasarkanai emisijai;

• alumīnija gallija indija fosfīdu (AlGaInP) – sarkanai, oranžai un dzeltanai;

• gallija fosfīdu (GaP) – dzeltenai un zaļai;

• indija gallija nitrīdu (InGaN) – zaļai, zilai un ultravioletai.

Baltās gaismas iegūšanai tiek vai nu kombinētas vairākas pamatkrāsu diodes (parasti sarkana, zaļa un zila), vai arī veidota konstrukcija, kurā zila diode ir pārklāta ar luminiscento pārklājumu. Abos gadījumos, dažādu krāsu emisijām sajaucoties, tiek iegūta balta gaisma.

Organisko gaismas diožu (OLED) klasē par aktīvo vidi kalpo organisku pusvadītāju materiālu slāņi.

Elektroluminiscenci – fizikālo parādību, kas ir gaismas diodes darbības pamatā, – 1907. gadā novēroja britu inženieris Henrijs Raunds (Henry Joseph Round). Silīcija karbīda kristālā novērotā dzeltenās gaismas emisija strāvas iedarbības rezultātā izrādījās pārāk vāja, lai tai būtu kāds praktisks pielietojums. Lai gan eksperiments tika atkārtots arī citos materiālos un veidojās elektroluminiscences teorijas pamati, gaismas diožu pētījumi attīstījās tikai 20. gs. 60. gados.

1961. gadā uzņēmuma Texas Instruments darbinieki Gerijs Pitmens (Gary Pittman) un Bobs Baierds (James Bob Biard) novēroja, ka gallija arsenīda diode emitē infrasarkano starojumu, ja caur to plūst strāva. Atklājums tika patentēts 1962. gadā. Pirmo redzamās gaismas diodi (sarkanu) 1962. gadā izstrādāja amerikāņu inženieris Niks Holonjaks juniors (Nick Holonyak Jr.), bet pirmo dzelteno gaismas diodi 1972. gadā radīja viņa bijušais students Džordžs Krafords (M. George Craford). Gaismas diodes sākotnēji bija blāvas un dārgas, tāpēc to pielietojamība bija ierobežota. Uzņēmums Fairchild Optoelectronics gaismas diožu ražošanā sāka izmantot planārās tehnoloģijas, kas ievērojami samazināja to ražošanas izmaksas.

Zilās diodes izstrāde izrādījās problemātiskāka, jo zilās gaismas emisijai nepieciešams materiāls ar lielāku aizliegtās zonas platumu nekā sarkanai vai zaļai. Līdz ar to bija nepieciešams pāriet uz citu pusvadītāju materiālu, lai diode efektīvi starotu zilajā elektromagnētiskā spektra diapazonā. Tas izdevās inženierim Šudži Nakamuram (中村修二), un 1994. gadā tika demonstrēta spoža zilas gaismas emisija no gallija nitrīda diodes. Atklājums bija tik nozīmīgs, ka 2014. gadā par to japāņu zinātniekiem Š. Nakamuram, Hiroši Amano (天野 浩) un Isamu Akasaki (赤崎 勇) tika piešķirta Nobela prēmija fizikā. Zilās gaismas diodes ir pamats mūsdienu energoefektīvajiem baltās gaismas avotiem.

Vielas luminiscenci caur to plūstošas elektriskās strāvas iedarbībā sauc par elektroluminiscenci. Diodē gaismas emisija notiek p-n pārejas apgabalā. Ja strāva tiek pieslēgta p-n pārejas caurlaides virzienā, lādiņnesēji (elektroni un caurumi) var brīvi pārvietoties no viena tipa pusvadītāja materiāla uz otru. Fizikālais mehānisms, kas ir gaismas emisijas pamatā, ir rekombinācija – pretējas zīmes lādiņnesēju anihilācija, kuras rezultātā enerģijas starpība tiek izstarota kā konkrētajam materiālam raksturīgais gaismas kvants. Rekombinācija ir iespējama arī bez gaismas izstarošanas (siltuma veidā), kā tas pamatā notiek klasiskajos pusvadītāju materiālos: silīcijā un germānijā. Tādēļ gaismas diodēs tiek izmantoti speciāli izvēlēti materiāli ar tiešu aizliegto zonu – AlGaAs, AlGaInP, InGaN un citi.

Gaismas diodes konstrukcijā aktīvo pusvadītāju materiālu parasti ieskauj caurspīdīgs plastmasas kupols. P-tipa un n-tipa apgabaliem tiek pievienoti metāla kontakti, kas elektriskajā ķēdē pilda anoda un katoda funkcijas.

Vienā ierīcē ir iespējams iestrādāt dažādu krāsu diodes. Plaši izplatīta ir sarkanas (R – red), zaļas (G – green) un zilas (B – blue) diodes kombinācija (RGB). Elektroniski kontrolējot atsevišķās emisijas, iespējams iegūt nepieciešamās krāsas gaismu, tajā skaitā – ļoti efektīvu balto gaismu. Ikdienā lietojamās apgaismes ierīcēs bez augstas energoefektivitātes tikpat svarīgs parametrs ir krāsu atveidošanas indekss (color rendering index, CRI). Šajā aspektā laba alternatīva RGB ierīcēm ir konstrukcija, kurā zila gallija nitrīda (GaN) vai InGaN diode ierosina fotoluminiscenci plašā spektra daļā spīdošā YAG:Ce³⁺ (Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ ‒ ar cēriju aktivēts itrija alumīnija granāts) pārklājumā. Mūsdienu baltās gaismas avotos galvenokārt izmanto tieši zilās diodes un luminofora kombināciju, jo, salīdzinot ar RGB sistēmām, relatīvi vienkāršā konstrukcija samazina ražošanas izmaksas, bet augstākās CRI vērtības dēļ starojums ir līdzīgāks dienas gaismai.

Gaismas diodes daudzos zinātnē un pētniecībā izmantotos mērinstrumentos pilda indikatora funkciju. No diožu kombinācijām var veidot vienkāršus displejus, kas kalpo kā datu izvadierīce. Gaismas diodes izmanto moderno krāsu displeju izgaismošanai, turklāt no organiskajām gaismas diodēm (OLED) var veidot pašus displeju pikseļus. Gaismas diodes tiek izmantotas arī datora monitorā.

Pusvadītāju gaismas diodes ir daudzās ierīcēs. Tās tiek izmantotas, piemēram, apgaismojuma avotos un vizuālās signālierīcēs datu izvadam indikatoros un ierīču displejos.

Nozīmīgākie gaismas diožu ražotāji ir Acuity Brands, Philips, Osram, Nichia Corporation, Samsung.

Apgaismes ierīču industrijā tiek domāts par balto gaismas diožu veiktspējas paaugstināšanu, lai nodrošinātu augstāku ierīču efektivitāti un krāsu atveidošanas parametrus, tajā pašā laikā samazinot ražošanas izmaksas un paildzinot diožu darbības mūžu. No pētniecības viedokļa interesanti ir jaunu gaismas diožu aktīvās vides un luminiscento pārklājumu materiālu meklējumi.

Aktuāli pētījumi norisinās uz organisko pusvadītāju materiāliem bāzētās gaismas diodēs. OLED ir daudzsološa tehnoloģija displeju pielietojumiem – tās ir spožākas, energoefektīvākas un plānākas, kas paver iespējas lokanu displeju izstrādei. Samsung 2013. gadā sāka OLED tehnoloģiju izmantot televizoros. Paralēli tiek strādāts pie organisko pusvadītāju diožu parametru uzlabošanas apgaismes avotos.