Spettro di un LED

A quanto ho capito, un LED emette un fotone quando un elettrone eccitato ritorna in un'orbita inferiore, e questa è sempre la stessa energia (leggi: lunghezza d'onda). Allora perché lo spettro di un LED è una curva a forma di campana anziché solo una linea (forse un paio di linee per diverse transizioni di elettroni)?

Diverse ragioni. Senza approfondire la meccanica quantistica, i motivi principali sono:

• Se il LED non è a temperatura zero assoluta, i suoi atomi vibrano. Il semiconduttore consente onde longitudinali e trasversali di molte lunghezze d'onda, andando tutte allo stesso tempo nei modi descritti dalla termodinamica. Questi sono quantizzati, come qualsiasi altra cosa, e chiamati "fononi". L'energia e il momento dei fononi interagiscono con le solite buffonate di elettroni e fotoni. Ottieni una diffusione di energie di fotoni che escono.
• Anche se un fonone non scambia energia / momento con un elettrone o un fotone, solo perché il reticolo cristallino si sta muovendo, si ottiene uno spostamento Doppler nella luce emessa.
• Heisenberg afferma che non è possibile misurare l'energia e gli intervalli di tempo con la massima precisione. Non si tratta davvero di misurare, ma di generare fotoni di un'energia specifica. Un elettrone viene eccitato a uno stato superiore, quindi ritorna giù. Per avere un cambiamento di energia perfettamente preciso in un sistema quantistico è necessario consentire un intervallo di tempo infinito per stabilire gli stati iniziale, intermedio e finale. Aspettare così tanto sarebbe un LED fioco! I processi di generazione di fotoni in LED reali avvengono rapidamente, nell'ordine di picosecondi o nanosecondi. I fotoni emessi avranno necessariamente una diffusione di valori.
• Mentre i semiconduttori utilizzati nei componenti elettronici sono molto puri, con l'aggiunta di quantità attentamente controllate di droganti, non sono mai perfettamente puri. Ci sono impurità indesiderate e gli atomi droganti che desideriamo sono distribuiti casualmente. Il reticolo cristallino non è perfetto. Gli esatti livelli di energia tra cui un elettrone può scegliere variano e dipendono dalla posizione. Un semiconduttore ideale ha bande ben definite di energie consentite ed energie proibite. In una semiconduttura imperfetta, questi hanno bordi sfocati. Quindi ottieni una gamma di lunghezze d'onda per la luce emessa.

Non ho ancora menzionato gli effetti degli elettroni e degli spin nucleari, o che diversi isotopi, con masse diverse, si aggiungono all'imperfezione del reticolo cristallino. Potete immaginare perché noi fisici ci divertiamo molto a studiare i dettagli degli spettri di luce da materiali luminosi.

Immagino che l'energia di fallback dell'orbita non sia strettamente costante, ma dipenda (un po ') dalla vicinanza dell'atomo, per esempio come si adatta esattamente alla griglia, posizione delle impurità vicine, se gli atomi di vari isotopi sono coinvolti nell'eseato isotopo dell'atomo, ecc.

Oltre a ciò che altri hanno detto, gli alloggiamenti dei LED (i pezzi di plastica trasparente) sono drogati / miscelati con fosfori che assorbono parte della luce, quindi rimettono l'energia alle loro risonanze molecolari (leggi: il loro colore). I fosfori non devono necessariamente essere semplici molecole o miscele - emetteranno diverse energie a varie intensità, a seconda dell'energia e dell'intensità del fotone in arrivo, dell'orientamento dei cristalli, della concentrazione della miscela, ecc.

In linea con quanto affermato dagli altri, i fotoni generati da un LED attraversano parecchi atomi per raggiungere il bulbo oculare o il rivelatore, trasferendo energia innumerevoli volte, rendendo la distribuzione di Fermi (descrizione dell'energia quantica di un sistema discreto) un po 'più gaussiana (descrizione macroscopica di misure reali).