Spektrum einer LED

So wie ich es verstehe, emittiert eine LED ein Photon, wenn ein angeregtes Elektron in eine niedrigere Umlaufbahn zurückfällt, und dies ist immer dieselbe Energie (gelesen: Wellenlänge). Warum ist das Spektrum einer LED dann eine glockenförmige Kurve statt nur einer Linie (vielleicht ein paar Linien für verschiedene Elektronenübergänge)?

Mehrere Gründe. Ohne zu tief in die Quantenmechanik einzudringen, sind die Hauptgründe:

• Wenn die LED keine absolute Nulltemperatur aufweist, vibrieren ihre Atome. Der Halbleiter ermöglicht Longitudinal- und Transversalwellen mit vielen Wellenlängen, die alle gleichzeitig auf die von der Thermodynamik beschriebene Weise ablaufen. Diese werden wie alles andere quantisiert und "Phononen" genannt. Die Energie und der Impuls von Phononen interagieren mit den üblichen Possen von Elektronen und Photonen. Du bekommst eine Ausbreitung von Photonenenergien, die herauskommen.
• Selbst wenn ein Phonon keine Energie / Impuls mit einem Elektron oder Photon austauscht, kommt es im emittierten Licht zu einer Doppler-Verschiebung, nur weil sich das Kristallgitter bewegt.
• Heisenberg sagt, dass man nicht mit höchster Präzision sowohl Energie- als auch Zeitintervalle messen kann. Hier geht es nicht wirklich darum, Photonen einer bestimmten Energie zu messen, sondern zu erzeugen. Ein Elektron wird in einen höheren Zustand angeregt und fällt dann wieder ab. Um eine vollkommen präzise Energieänderung in einem Quantensystem zu erreichen, müssen Sie ein unendliches Zeitintervall für die Festlegung der Anfangs-, Zwischen- und Endzustände festlegen. So lange zu warten würde zu einer schwachen LED führen! Photonenerzeugungsprozesse in echten LEDs finden schnell in der Größenordnung von Pikosekunden oder Nanosekunden statt. Ausgestrahlte Photonen haben notwendigerweise eine Streuung von Werten.
• Während die in elektronischen Bauteilen verwendeten Halbleiter sehr rein sind und sorgfältig kontrollierte Mengen an Dotierstoffen zugesetzt werden, sind sie niemals perfekt rein. Es gibt unerwünschte Verunreinigungen und die Dotierungsatome, die wir wollen, sind zufällig verteilt. Das Kristallgitter ist nicht perfekt. Die genauen Energieniveaus, aus denen ein Elektron wählen kann, sind unterschiedlich und von der Position abhängig. Ein idealer Halbleiter hat gut definierte Bänder von erlaubten und verbotenen Energien. In einem unvollkommenen Halbleiter haben diese unscharfe Kanten. So erhalten Sie einen Wellenlängenbereich für emittiertes Licht.

Ich habe die Auswirkungen von Elektronen- und Kernspins noch nicht erwähnt, oder dass unterschiedliche Isotope mit unterschiedlichen Massen zur Unvollkommenheit des Kristallgitters beitragen. Sie können sich vorstellen, warum es uns Physikern so gut geht, die Details von Lichtspektren aus leuchtenden Materialien zu studieren.

Ich vermute, dass die Umlaufbahn-Fallback-Energie nicht streng konstant ist, sondern (ein wenig) von der Nachbarschaft des Atoms abhängt, zum Beispiel wie genau es in das Gitter passt, wo sich in der Nähe Verunreinigungen befinden, wenn Atome verschiedener Isotope an dem Exeakt beteiligt sind Isotop des Atoms usw.

Zusätzlich zu dem, was andere gesagt haben, werden LED-Gehäuse (die durchsichtigen Plastik-Bits) mit Leuchtstoffen dotiert / gemischt, die einen Teil des Lichts absorbieren und dann die Energie an ihre molekularen Resonanzen abgeben (sprich: ihre Farbe). Leuchtstoffe müssen auch keine einfachen Moleküle oder Gemische sein - sie senden abhängig von der einfallenden Photonenenergie und -intensität, der Kristallorientierung, der Gemischkonzentration usw. verschiedene Energien in unterschiedlichen Intensitäten aus.

Entsprechend den Aussagen der anderen gehen von einer LED erzeugte Photonen durch eine ganze Reihe von Atomen zu Ihrem Augapfel oder Detektor, übertragen unzählige Male Energie und machen die Fermi-Verteilung (Quantenenergiebeschreibung eines diskreten Systems) um einiges gaußartiger (makroskopische Beschreibung realer Messungen).