Phóng điện phát quang không cân bằng được định nghĩa là khí bị ion hóa từng phần chứa mật độ thể tích của các điện tích dương và điện tích âm bằng nhau của các hạt ( các ion và electron) và các mật độ khác nhau ở trạng thái cơ bản hay kích thích của các hạt trên. Khí ion hóa từng phần này có thể tạo ra ở nhiệt độ cao, hay trong điện từ trường mạnh thông qua va chạm với điện tử. Trong plasma nhiệt, các ion, electron và hạt trung hòa ở trạng thái cân bằng nhiệt cục bộ. Trong plasma không cân bằng hay plasma lạnh thì các electron và ion có năng lượng cao hơn các hạt trung hòa.
Hầu hết sự phóng điện phát quang sử dụng trong công nghiệp vi điện tử là khí chịu tác động của sóng điện từ và chúng là sự phóng điện phát quang không cân bằng ( hay plasma lạnh). Điện trường ban đầu gia tốc một số hạt electron tồn tại trong khối khí. Mặc dù điện trường cũng tác động tới các ion, tuy nhiên chúng không bị ảnh hưởng như electron do khối lượng chúng lớn hơn nhiều. Các electron bị gia tốc không mất năng lượng nhiều trong các va chạm đàn hồi với các hạt trong khí do sự chênh lệch khối lượng lớn. Hơn nữa, các electron này cũng không mất nhiều năng lượng trong các va chạm không đàn hồi (như kích thích, ion hóa), cho tới khi các electron này đạt tới năng lượng ngưỡng ( ví dụ 11,56eV để kích thích và 15,8eV để ion hóa khí Argon). Tuần tự, các electron này tăng dần năng lượng bởi tác động của điện trường.
Khi năng lượng của các electron này đủ lớn sẽ ion hóa và kích thích các hạt khí, và tạo thêm các electron tự do. Tương tự, các electron tạo thêm này cũng chịu gia tốc bởi điện trường. Do đó, quá trình này xảy ra như thác lũ và nhanh đồng thời tạo trạng thái phóng điện phát quang bền. Trong trạng thái bền này, sự phát quang liên tục bị mất các hạt điện tích (như electron, ion) tại điện cực và các bề mặt trong buồng, nhưng cũng có được sự tạo thêm các hạt điện tích từ sự ion hóa. Ngoài ra, sự tạo thêm electron tự do bởi sự phát xạ thứ cấp từ điện tích dương bị bắn mạnh vào thành bình hay điện cực, hiện tượng này đóng vai trò chính trong sự duy trì phóng điện phát quang.
Các va chạm không đàn hồi giữa electron năng lượng cao và các hạt khí làm tăng khả năng phản ứng của các hạt khí, như các hạt trung hòa ở trạng thái kích thích và các gốc tự do (radical). Ở đây, năng lượng electron đóng vai trò tạo phản ứng và hạt điện tích cũng như các gốc phản ứng mà không cần nâng nhiệt. Các hạt sản phẩm phản ứng tồn tại trong plasma có rào thế thấp hơn đối với các quá trình lý hóa so với các hạt tạo ra chúng dẫn đến phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn. Hệ PECVD sử dụng các hạt sản phẩm phản ứng này để tạo màng lắng đọng ở nhiệt độ thấp hơn so với hệ nhiệt CVD. Các hạt tích điện trong phóng điện phát quang cũng có sự ảnh hưởng tới tính chất của màng lắng đọng.
Có nhiều trường hợp va chạm không đàn hồi giựa electron và các hạt khí trong phóng điện phát quang. Chẳng hạn các quá trình đóng vai trò đa số trong hệ PECVD :
Kích thích : *
A e A e
Phân ly : A2e 2A e Bắt electron : A e A Bắt phân tách : A2eAA Phát xạ photon : * A A hv Truyền điện tích : A B A B Trong đó A A B, 2, là các hạt chất phản ứng, elà electron, A* là hạt chất phản ứng ở trạng thái kích thích, A A B, , là các ion của hạt A và B[19].