一般认为，掺铒硅的发光来源于Er离子的4f能级间的跃迁，如图2所示。在解释具体的发光机理时，必须说明Er离子在硅中的激发和退激发过程，并以此来解释实验现象。对机理的了解有助于从实验上来提高掺铒硅的发光效率，克服其温度猝灭和提高发光的调制频率。
发光的激发和退激发过程：先讨论激发过程。一般来说，Er离子被激发可以有光子激发和电子激发两种可能性。光子激发是入射光子直接将Er的4f基态能级上的电子激发到较高的能级上去，但是，由于Er3+的光吸收截面非常小，只有1×10-20cm2，所以对有效的光致发光和电致发光(EL)来说，光子激发不是主要的。电子激发又称载流子中介激发。它可以有两种方式，如图3所示。图3(a)是激子复合激发，在掺铒硅的PL和P-N结正向偏压作用下的EL都属于这一种机理。其过程为：由光照或由P-N结电注入在Si中产生电子空穴对，然后通过受陷于一个与Er相关的位于禁带中的能级而成为束缚激子，激子复合后产生能量(图中过程1)，该能量从半导体转移到Er的4f壳层(过程2)，使4f电子从4I15/2基态激发到第一激发态4I13/2(过程3)。另一种电子激发过程称为载流子碰撞激发，如图3(b)所示。它发生在P-N结反向偏压下的EL中。 P-N结势垒区中的载流子受到强电场的作用而加速成为热载流子，处于导带内高能量状态上，当它的动能大于0.81 eV时，就有可能通过与晶格碰撞而失去能量(过程1)，这部分能量转移给Er(过程2)，激发其4f电子(过程3)。
对于上述两种激发过程来说，电子空穴复合更有效，因为碰撞激发的截面为6×10-17cm2，而理想情况下(低温和低激发强度)e-h复合的截面可达5×10-15cm2。
处于激发态的Er离子可以通过辐射复合和非辐射复合两种途径而退激发。由于的第一激发态的辐射复合寿命相当长(1 ms)，非辐射退激发过程严重地削弱了发光强度。为了得到有效的发光，必须尽可能地消除或减弱非辐射复合的途径。对Er-Si系统来说，存在两类非辐射退激发过程：
(1)能量背转移，如图3(c)所示。Er退激发(过程1)所产生的能量背转移给Si(过程2)，激发Si价带电子跃迁到一个与Er有关的能级(过程3);
(2)Auger退激发，如图3(d)所示.由过程1和过程2所产生的能量转移给Si中的导带电子，使其激发到高能态(过程3)。在第一种退激发过程中，Er退激发的能量为0.81 eV，与Er有关的能级位于导带底以下约0.15 eV处，价带电子激发到该能级的能量处，与0.81 eV尚差0.15 eV，这一能量需要靠声子来提供，因此能量背转移过程是热激活的，与温度关系较大;而第二种退激发过程由于是将能量转移给自由载流子，因此与样品中的载流子浓度相关。
由于Er在Si中表现出较强的施主行为，Auger退激发过程在高掺Er的材料中更为重要，另外在PL中，如果入射光很强，导致样品中载流子浓度增加很多，Auger退激发过程也会占主导地位。