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

اجازه دهید کمی ریزتر شویم و ساختار دیودها را در مقیاس اتمی بررسی کنیم. بر طبق 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 مشخص قرار بگیرد، باید انرژی مشخصی داشته باشد. به بیان 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 بعد 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 مانند مس، لایه‌ی رسانا به لایه‌ی ظرفیت بسیار نزدیک است. بنابراین، الکترون‌ها به‌راحتی می‌توانند حرکت کنند. اما در ماده‌ی عایقی مانند پلاستیک، لایه‌ی رسانا در فاصله‌ی زیادی از لایه‌ی ظرفیت قرار گرفته است. از این‌ رو، الکترون‌ها به‌راحتی نمی‌توانند از لایه‌ی ظرفیت به لایه‌ی رسانا بروند. در نیمه‌رساناها، مانند سیلیکون، لایه‌ی رسانش در فاصله کمی از لایه‌ی ظرفیت قرار دارد. سیلیکون در حالت عادی مانند ماده‌ی عایق رفتار می‌کند، اما پس 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، بنابراین 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 حدود 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 تشکیل دهیم. فاصله‌ی بین تراز ظرفیت و رسانش در این نیمه‌رسانا برابر ۱٫۴۲۴ الکترون‌ولت و طول موج این انرژی در حدود ۸۷۰ نانومتر است. این طول موج از طول موج ناحیه‌ی فروسرخ بسیار کمتر است، اما هنوز تا رسیدن به طول موج نور مرئی فاصله دارد.

همچنین، 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 عنوان 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.