Espectro de un LED

Según tengo entendido, un LED emite un fotón cuando un electrón excitado vuelve a caer a una órbita más baja, y esta es siempre la misma energía (léase: longitud de onda). Entonces, ¿por qué el espectro de un LED es una curva en forma de campana en lugar de solo una línea (tal vez un par de líneas para diferentes transiciones de electrones)?

Muchas rasones. Sin profundizar demasiado en la mecánica cuántica, las razones principales son:

• Si el LED no está a temperatura cero absoluta, sus átomos están vibrando. El semiconductor permite ondas longitudinales y transversales de muchas longitudes de onda, todas yendo al mismo tiempo de la manera descrita por la termodinámica. Estos se cuantifican, como cualquier otra cosa, y se llaman "fonones". La energía y el impulso de los fonones interactúan con las travesuras habituales de los electrones y los fotones. Obtienes una extensión de energías de fotones que salen.
• Incluso si un fonón no intercambia energía / momento con un electrón o fotón, solo porque la red cristalina se está moviendo, obtienes un cambio Doppler en la luz emitida.
• Heisenberg dice que no puede medir tanto la energía como los intervalos de tiempo con la máxima precisión. No se trata realmente de medir sino de generar fotones de una energía específica. Un electrón se excita a un estado superior, luego vuelve a bajar. Para tener un cambio de energía perfectamente preciso en un sistema cuántico, debe permitirle un intervalo de tiempo infinito para establecer los estados inicial, intermedio y final. ¡Esperar tanto tiempo generaría un LED tenue! Los procesos de generación de fotones en LED reales tienen lugar rápidamente, en el orden de picosegundos o nanosegundos. Los fotones emitidos necesariamente tendrán una extensión de valores.
• Si bien los semiconductores utilizados en componentes electrónicos son muy puros, con cantidades cuidadosamente controladas de dopantes añadidos, nunca son perfectamente puros. Hay impurezas no deseadas y los átomos dopantes que queremos se distribuyen al azar. La red cristalina no es perfecta. Los niveles exactos de energía que puede elegir un electrón son variados y dependen de la posición. Un semiconductor ideal tiene bandas bien definidas de energías permitidas y energías prohibidas. En una semiconducción imperfecta, estos tienen bordes borrosos. Entonces obtienes un rango de longitudes de onda para la luz emitida.

Todavía no he mencionado los efectos de los espines de electrones y nucleares, o que diferentes isótopos, que tienen diferentes masas, se suman a la imperfección de la red cristalina. Puedes imaginar por qué los físicos lo pasamos muy bien estudiando los detalles de los espectros de luz de los materiales brillantes.

Supongo que la energía de retroceso de la órbita no es estrictamente constante, sino que depende (un poco) de la vecindad del átomo, por ejemplo, cómo encaja exactamente en la cuadrícula, la ubicación de las impurezas cercanas, si los átomos de varios isótopos están involucrados en el acto. isótopo del átomo, etc.

Además de lo que otros han dicho, las carcasas de LED (los pedazos de plástico transparente) se dopan / mezclan con fósforos que absorben parte de la luz, luego remiten la energía a sus resonancias moleculares (léase: su color). Los fósforos tampoco necesitan ser simples moléculas o mezclas: emitirán varias energías en intensidades variadas, dependiendo de la energía e intensidad de los fotones entrantes, la orientación del cristal, la concentración de la mezcla, etc.

En línea con lo que dijeron los demás, los fotones generados por un LED atraviesan bastantes átomos para llegar a su globo ocular o detector, transfiriendo energía innumerables veces, haciendo que la distribución de Fermi (descripción de energía cuántica de un sistema discreto) sea un poco más gaussiana (descripción macroscópica de mediciones reales).