با اتصال دیود به باتری، الکترون‌ها اغاز به حرکت در مدار می‌کنند. به این حالت بایاس مستقیم حرف های می‌بشود. برای آنکه الکترون بتواند به‌راحتی از ناحیه‌ی تخلیه عبور کند، ولتاژ اعمال‌شده به دیود باید از مقدار مشخصی زیاد تر باشد. مقدار این ولتاژ برای دیودهای سیلیکونی در نزدیک به ۰٫۵۶۵ ولت است. اما دیودهای نوری قرمزرنگ، برای عبور جریان الکتریکی از خود و روشن شدن به ولتاژ بزرگ‌تری در نزدیک به ۱٫۷۵۱ ولت، نیاز دارند.

اجازه دهید مقداری ریزتر شویم و ساختار دیودها را در مقیاس اتمی بازدید کنیم. بر مطابق مدل اتمی بور، هسته‌ی اتم در مرکز قرار گرفته است و الکترون‌ها در لایه‌هایی به نام اوربیتال، به دور هسته می‌چرخند. هر لایه‌ی اوربیتال تعداد مشخصی الکترون دارد. هر الکترون برای آنکه بتواند در لایه‌ای اشکار قرار بگیرد، باید انرژی مشخصی داشته باشد. به گفتن دیگر، الکترون‌های هر لایه‌، انرژی مشخصی دارند. انرژی الکترون‌ها در لایه‌های دورتر نسبت به هسته، بزرگ‌تر است.

خارجی‌ترین لایه، لایه‌ی ظرفیت نام دارد و لایه‌ی رسانا سپس از آن قرار گرفته است. الکترون‌ها با رسیدن به لایه‌ی رسانا، از قید اتم آزاد شده‌اند و به‌راحتی می‌توانند به اطراف حرکت کنند. در ماده‌ی رسانایی همانند مس، لایه‌ی رسانا به لایه‌ی ظرفیت زیاد نزدیک است. به این علت، الکترون‌ها به‌راحتی می‌توانند حرکت کنند. اما در ماده‌ی عایقی همانند پلاستیک، لایه‌ی رسانا در فاصله‌ی بسیاری از لایه‌ی ظرفیت قرار گرفته است. از این‌ رو، الکترون‌ها به‌راحتی نمی توانند از لایه‌ی ظرفیت به لایه‌ی رسانا بروند. در نیمه‌رساناها، همانند سیلیکون، لایه‌ی رسانش در فاصله مقداری از لایه‌ی ظرفیت قرار دارد. سیلیکون در حالت عادی همانند ماده‌ی عایق حرکت می‌کند، اما بعد از اعمال ولتاژ، الکترون‌ها می‌توانند از لایه‌ی ظرفیت به لایه‌ی رسانش بروند و آزادانه در ساختار سیلیکون حرکت کنند.

در دیودهای سیلیکونی معمولی، الکترون از لایه‌ی رسانش نیمه‌رسانای نوع N (سیلیکون نوع N)‌ به لایه‌ی ظرفیت نیمه‌رسانای نوع P (سیلیکون نوع P) جهش می‌کند. لایه‌ی ظرفیت، انرژی کمتری نسبت به لایه‌ی رسانش دارد، به این علت الکترون برای قرار گرفتن در لایه‌ی پایین‌تر باید مقداری انرژی از دست بدهد. از دست دادن انرژی توسط الکترون با آزاد شدن فوتون همراه است. در سیلیکون، الکترون باید انرژی برابر ۱٫۱ الکترون‌ولت از دست بدهد. طول موج فوتونی با این انرژی در نزدیک به ۱۱۲۷ نانومتر است. این یعنی دیود سیلیکونی، نورِ فروسرخ تابش می‌کند که چشم انسان نمی‌تواند آن را مشاهده کند.

به‌جای سیلیکون، می‌توانیم از ترکیب دو عنصر گالیوم و آرسنیک، نیمه‌رسانا بسازیم و با افزودن ناخالصی به این ترکیب،‌ لایه‌های نوع N و P را راه اندازی دهیم. فاصله‌ی بین تراز ظرفیت و رسانش در این نیمه‌رسانا برابر ۱٫۴۲۴ الکترون‌ولت و طول موج این انرژی در نزدیک به ۸۷۰ نانومتر است. این طول موج از طول موج ناحیه‌ی فروسرخ زیاد کمتر است، اما تا این مدت تا رسیدن به طول موج نور مرئی فاصله دارد.

این چنین، پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که با ترکیب سه عنصر گالیوم، آرسنیک و فسفر (GaAsP) می‌توانند دیود نوری با هر رنگی بین سبز تا قرمز بسازند. به گفتن مثال، با ترکیب ۶۰ درصد گالیوم آرسنیک (GaAs) و ۴۰ درصد گالیوم فسفر (GaP)، نیمه‌رسانای GaAsP با انرژی گاف (فاصله‌ی بین تراز‌های رسانش و ظرفیت) ۱٫۷۵۸۴ الکترون‌ولت (طول موج ۷۰۵ نانومتر) به‌دست می‌آید. این طول موج متعلق به نور قرمز است.