Widmo LED

Jak rozumiem, dioda LED emituje foton, gdy wzbudzony elektron spada z powrotem na niższą orbitę i jest to zawsze ta sama energia (czytaj: długość fali). Dlaczego więc widmo diody LED jest krzywą w kształcie dzwonu, a nie tylko linią (może kilka linii dla różnych przejść elektronowych)?

Kilka powodów. Nie zagłębiając się zbytnio w mechanikę kwantową, główne przyczyny to:

• Jeśli dioda LED nie ma absolutnie zerowej temperatury, jej atomy wibrują. Półprzewodnik dopuszcza fale podłużne i poprzeczne o wielu długościach fal, wszystkie idące jednocześnie w sposób opisany przez termodynamikę. Są one kwantowane, jak wszystko inne, i nazywane „fononami”. Energia i pęd fononów oddziałują ze zwykłymi wybrykami elektronów i fotonów. Dostajesz rozprzestrzeniającą się energię fotonów.
• Nawet jeśli fonon nie wymienia energii / pędu z elektronem lub fotonem, tylko dlatego, że porusza się sieć krystaliczna, dostaniesz przesunięcie Dopplera w emitowanym świetle.
• Heisenberg twierdzi, że nie można mierzyć zarówno energii, jak i odstępów czasu z najwyższą precyzją. Nie chodzi o pomiar, ale generowanie fotonów o określonej energii. Elektron jest wzbudzany do wyższego stanu, a następnie wraca. Aby uzyskać idealnie precyzyjną zmianę energii w układzie kwantowym, musisz pozwolić mu na nieskończony odstęp czasu w celu ustalenia stanów początkowych, pośrednich i końcowych. Tak długie oczekiwanie oznaczałoby słabą diodę LED! Procesy generowania fotonów w rzeczywistych diodach LED zachodzą szybko, w kolejności pikosekund lub nanosekund. Emitowane fotony będą musiały mieć rozpiętość wartości.
• Chociaż półprzewodniki stosowane w komponentach elektronicznych są bardzo czyste, z dokładnie kontrolowanymi ilościami domieszek, nigdy nie są idealnie czyste. Są niepożądane zanieczyszczenia, a atomy domieszek, których chcemy, są rozmieszczone losowo. Sieć krystaliczna nie jest idealna. Dokładne poziomy energii, z których elektron może wybierać, są różne i zależą od położenia. Idealny półprzewodnik ma dobrze zdefiniowane pasma dozwolonych energii i zabronionych energii. W niedoskonałej półprzewodniku mają rozmyte krawędzie. Otrzymujesz więc zakres długości fal dla emitowanego światła.

Nie wspominałem jeszcze o skutkach spinów elektronowych i jądrowych ani o tym, że różne izotopy o różnych masach przyczyniają się do niedoskonałości sieci krystalicznej. Możecie sobie wyobrazić, dlaczego my, fizycy, świetnie się bawimy, badając szczegóły widm światła ze świecących materiałów.

Wydaje mi się, że energia opadania orbity nie jest ściśle stała, ale zależy (trochę) od sąsiedztwa atomu, na przykład, jak dokładnie wpasowuje się w siatkę, lokalizacji pobliskich zanieczyszczeń, jeśli zaangażowane są atomy różnych izotopów izotop atomu itp.

Oprócz tego, co powiedzieli inni, obudowy LED (przezroczyste plastikowe fragmenty) są domieszkowane / mieszane z luminoforami, które pochłaniają część światła, a następnie przekazują energię w swoich rezonansach molekularnych (czytaj: ich kolor). Fosfory nie muszą być również prostymi cząsteczkami ani mieszaninami - będą emitować kilka energii o różnych intensywnościach, w zależności od energii i intensywności nadchodzącego fotonu, orientacji kryształów, stężenia mieszaniny itp.

Zgodnie z tym, co powiedzieli inni, fotony generowane przez diodę LED przechodzą przez wiele atomów, aby dostać się do gałki ocznej lub detektora, przenosząc energię niezliczoną ilość razy, czyniąc rozkład Fermiego (opis energii kwantowej układu dyskretnego) nieco bardziej gaussowskim (makroskopowy opis rzeczywistych pomiarów).