Espectro de um LED

Pelo que entendi, um LED emite um fóton quando um elétron excitado volta para uma órbita mais baixa, e essa é sempre a mesma energia (leia-se: comprimento de onda). Então, por que o espectro de um LED é uma curva em forma de sino em vez de apenas uma linha (talvez algumas linhas para diferentes transições eletrônicas)?

Várias razões. Sem se aprofundar muito na mecânica quântica, os principais motivos são:

• Se o LED não estiver na temperatura zero absoluta, seus átomos estão vibrando. O semicondutor permite ondas longitudinais e transversais de vários comprimentos de onda, todas indo ao mesmo tempo das maneiras descritas pela termodinâmica. Estes são quantizados, como qualquer outra coisa, e chamados "fônons". A energia e o momento dos fônons interagem com as artimanhas usuais dos elétrons e dos fótons. Você recebe uma propagação de energias de fótons saindo.
• Mesmo que um fônon não troque energia / momento com um elétron ou fóton, apenas porque a estrutura de cristal está se movendo, você obtém um deslocamento Doppler na luz emitida.
• Heisenberg diz que você não pode medir os intervalos de energia e de tempo com a máxima precisão. Não se trata realmente de medir, mas de gerar fótons de uma energia específica. Um elétron é excitado para um estado mais alto e depois volta para baixo. Para ter uma mudança de energia perfeitamente precisa em um sistema quântico, você deve permitir um intervalo de tempo infinito para estabelecer os estados inicial, intermediário e final. Esperar tanto tempo resultaria em um LED fraco! Os processos de geração de fótons em LEDs reais ocorrem rapidamente, na ordem de picossegundos ou nanossegundos. Os fótons emitidos terão necessariamente uma difusão de valores.
• Embora os semicondutores usados ​​nos componentes eletrônicos sejam muito puros, com quantidades cuidadosamente controladas de dopantes adicionados, eles nunca são perfeitamente puros. Existem impurezas indesejadas e os átomos contaminantes que queremos são distribuídos aleatoriamente. A treliça de cristal não é perfeita. Os níveis exatos de energia que um elétron pode escolher são variados e dependem da posição. Um semicondutor ideal possui bandas bem definidas de energias permitidas e energias proibidas. Em uma semi-estrutura imperfeita, elas possuem bordas confusas. Assim, você obtém uma variedade de comprimentos de onda para a luz emitida.

Ainda não mencionei efeitos de spins de elétrons e nucleares, ou que isótopos diferentes, com massas diferentes, contribuem para a imperfeição da estrutura cristalina. Você pode imaginar por que nós físicos nos divertimos muito estudando os detalhes dos espectros de luz de materiais brilhantes.

Eu acho que a energia de fallback da órbita não é estritamente constante, mas depende (um pouco) da vizinhança do átomo, por exemplo, como exatamente ela se encaixa na grade, localização de impurezas próximas, se átomos de vários isótopos estiverem envolvidos isótopo do átomo, etc.

Além do que outros disseram, as caixas de LED (os pedaços de plástico transparente) são dopadas / misturadas com fósforos que absorvem parte da luz e remetem a energia às suas ressonâncias moleculares (leia-se: sua cor). Os fósforos também não precisam ser simples moléculas ou misturas - eles emitem várias energias em intensidades variadas, dependendo da energia e intensidade de fótons recebidos, orientação do cristal, concentração da mistura, etc.

De acordo com o que os outros disseram, os fótons gerados por um LED passam por alguns átomos para chegar ao seu globo ocular ou detector, transferindo energia inúmeras vezes, tornando a distribuição Fermi (descrição da energia quântica de um sistema discreto) um pouco mais gaussiana (descrição macroscópica de medições reais).