Спектр светодиода

Насколько я понимаю, светодиод излучает фотон, когда возбужденный электрон возвращается на более низкую орбиту, и это всегда одна и та же энергия (читай: длина волны). Итак, почему же спектр светодиода представляет собой колоколообразную кривую, а не просто линию (возможно, пару линий для разных электронных переходов)?

Некоторые причины. Не вдаваясь слишком глубоко в квантовую механику, основными причинами являются:

• Если светодиод не имеет абсолютно нулевой температуры, его атомы вибрируют. Полупроводник допускает продольные и поперечные волны многих длин волн, все они идут одновременно способами, описанными термодинамикой. Они квантованы, как и все остальное, и называются «фононами». Энергия и импульс фононов взаимодействуют с обычными выходками электронов и фотонов. Вы получаете распространение фотонных энергий, выходящих.
• Даже если фонон не обменивается энергией / импульсом с электроном или фотоном, только потому, что кристаллическая решетка движется, вы получаете доплеровский сдвиг в излучаемом свете.
• Гейзенберг говорит, что вы не можете измерить как энергетические, так и временные интервалы с предельной точностью. Дело не в измерении, а в генерации фотонов определенной энергии. Электрон возбуждается до более высокого состояния, затем возвращается обратно. Чтобы иметь абсолютно точное изменение энергии в квантовой системе, вы должны предоставить ей бесконечный интервал времени для установления начального, промежуточного и конечного состояний. Ожидание, которое долго, сделало бы тусклый светодиод! Процессы генерации фотонов в реальных светодиодах происходят быстро, порядка пикосекунд или наносекунд. Излучаемые фотоны обязательно будут иметь разброс значений.
• Хотя полупроводники, используемые в электронных компонентах, очень чистые, с добавлением тщательно контролируемого количества добавок, они никогда не бывают идеально чистыми. Есть нежелательные примеси, и атомы легирующей примеси, которые мы хотим, распределяются случайным образом. Кристаллическая решетка не идеальна. Точные уровни энергии, которые может выбрать электрон, варьируются и зависят от положения. Идеальный полупроводник имеет четко определенные полосы разрешенных и запрещенных энергий. В несовершенных полупроводниках они имеют нечеткие края. Таким образом, вы получаете диапазон длин волн для излучаемого света.

Я еще не упомянул влияние электронных и ядерных спинов или того, что разные изотопы, имеющие разные массы, усиливают несовершенство кристаллической решетки. Вы можете себе представить, почему мы, физики, дико развлекаемся, изучая детали спектров света от светящихся материалов.

Я предполагаю, что энергия отката орбиты не является строго постоянной, но зависит (немного) от окрестности атома, например, как именно он помещается в решетке, расположения соседних примесей, если в процесс вовлечены атомы различных изотопов. изотоп атома и др.

В дополнение к тому, что сказали другие, корпуса светодиодов (прозрачные пластиковые кусочки) легируются / смешиваются с люминофорами, которые поглощают часть света, а затем излучают энергию при своих молекулярных резонансах (читай: их цвет). Люминофоры не обязательно должны быть простыми молекулами или смесями - они будут излучать несколько энергий с различной интенсивностью, в зависимости от энергии и интенсивности входящего фотона, ориентации кристаллов, концентрации смеси и т. Д.

В соответствии с тем, что говорили другие, фотоны, генерируемые светодиодом, проходят через довольно много атомов, чтобы попасть в ваше глазное яблоко или детектор, передавая энергию бесчисленное количество раз, делая распределение Ферми (квантовое описание энергии дискретной системы) немного более гауссовским (макроскопическое описание реальных измерений).