Si je comprends bien, une LED émet un photon lorsqu'un électron excité retombe sur une orbite inférieure, et c'est toujours la même énergie (lire: longueur d'onde). Alors pourquoi le spectre d'une LED est-il une courbe en forme de cloche au lieu d'une simple ligne (peut-être quelques lignes pour différentes transitions d'électrons)?
Plusieurs raisons. Sans aller trop loin dans la mécanique quantique, les principales raisons sont:
Si la LED n'est pas à une température nulle absolue, ses atomes vibrent. Le semi-conducteur permet des ondes longitudinales et transversales de plusieurs longueurs d'onde, toutes allant en même temps de la manière décrite par la thermodynamique. Ceux-ci sont quantifiés, comme toute autre chose, et appelés "phonons". L'énergie et la quantité de mouvement des phonons interagissent avec les ébats habituels des électrons et des photons. Vous obtenez une propagation des énergies des photons qui sortent.
Même si un phonon n'échange pas d'énergie / d'élan avec un électron ou un photon, juste parce que le réseau cristallin se déplace, vous obtenez un décalage Doppler dans la lumière émise.
Heisenberg dit que vous ne pouvez pas mesurer à la fois l'énergie et les intervalles de temps avec une précision ultime. Il ne s'agit pas vraiment de mesurer mais de générer des photons d'une énergie spécifique. Un électron est excité vers un état supérieur, puis redescend. Pour avoir un changement d'énergie parfaitement précis dans un système quantique, vous devez lui laisser un intervalle de temps infini pour établir les états initial, intermédiaire et final. Attendre aussi longtemps ferait une LED faible! Les processus de génération de photons dans de vraies LED se déroulent rapidement, de l'ordre des picosecondes ou nanosecondes. Les photons émis auront nécessairement une propagation de valeurs.
Bien que les semi-conducteurs utilisés dans les composants électroniques soient très purs, avec des quantités soigneusement contrôlées de dopants ajoutés, ils ne sont jamais parfaitement purs. Il y a des impuretés indésirables, et les atomes dopants que nous voulons, sont distribués au hasard. Le réseau cristallin n'est pas parfait. Les niveaux d'énergie exacts qu'un électron peut choisir sont variés et dépendent de la position. Un semi-conducteur idéal a des bandes bien définies d'énergies autorisées et d'énergies interdites. Dans un semi-conducteur imparfait, ceux-ci ont des bords flous. Vous obtenez donc une gamme de longueurs d'onde pour la lumière émise.
Je n'ai pas encore mentionné les effets des spins électroniques et nucléaires, ni le fait que différents isotopes, ayant des masses différentes, ajoutent à l'imperfection du réseau cristallin. Vous pouvez imaginer pourquoi nous, les physiciens, passons un bon moment à étudier les détails des spectres de lumière des matériaux incandescents.
Je vais poser la question opposée: un spectre plus large serait souhaitable dans de nombreux cas, par exemple lors de l'utilisation de LED RGB pour l'éclairage. Savez-vous s'il existe une raison technique qui oblige les LED à avoir un spectre étroit? Pourraient-ils être fabriqués avec, disons, des spectres similaires à la réponse du cône de l'œil humain?
morten
Une idée de combien l'effet «Doppler» déplacerait réellement les longueurs d'onde visibles (disons de -60C à + 240C)? Je n'y avais pas pensé - bon point.
tyblu
1
@ DarenW, à ma connaissance, les phonons ont très peu d'effet sur les photons générés par une LED et le point 4 est le point principal, leur réseau a une variance donnant aux bandes d'énergie une variance.
Kortuk
Les diagrammes Ek représentent l'énergie d'un système quantique, «E», étant donné un certain momentum, «k». Les photons décalent «E»; les phonons décalent 'k'. La différence d'énergie dans l'écart entre les bandes de valence et de conductance dans les matériaux réels change en fonction des divers changements de momentum. (@Kortuk;)
tyblu
Certes, certains de ces effets ont beaucoup plus d'influence que d'autres.
DarenW
2
Je suppose que l'énergie de repli de l'orbite n'est pas strictement constante, mais dépend (un peu) du voisinage de l'atome, par exemple de la façon dont elle s'intègre exactement dans la grille, de l'emplacement des impuretés à proximité, si des atomes de divers isotopes sont impliqués dans l'exéaction isotope de l'atome, etc.
En plus de ce que d'autres ont dit, les boîtiers LED (les bits en plastique transparent) sont dopés / mélangés avec des luminophores qui absorbent une partie de la lumière, puis renvoient l'énergie à leurs résonances moléculaires (lire: leur couleur). Les phosphores ne doivent pas non plus être de simples molécules ou des mélanges - ils émettront plusieurs énergies à des intensités variées, selon l'énergie et l'intensité des photons entrants, l'orientation des cristaux, la concentration du mélange, etc.
En accord avec ce que les autres ont dit, les photons générés par une LED traversent pas mal d'atomes pour atteindre votre globe oculaire ou votre détecteur, transférant d'innombrables fois l'énergie, ce qui rend la distribution de Fermi (description de l'énergie quantique d'un système discret) un peu plus gaussienne (description macroscopique de mesures réelles).
Je suppose que l'énergie de repli de l'orbite n'est pas strictement constante, mais dépend (un peu) du voisinage de l'atome, par exemple de la façon dont elle s'intègre exactement dans la grille, de l'emplacement des impuretés à proximité, si des atomes de divers isotopes sont impliqués dans l'exéaction isotope de l'atome, etc.
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En plus de ce que d'autres ont dit, les boîtiers LED (les bits en plastique transparent) sont dopés / mélangés avec des luminophores qui absorbent une partie de la lumière, puis renvoient l'énergie à leurs résonances moléculaires (lire: leur couleur). Les phosphores ne doivent pas non plus être de simples molécules ou des mélanges - ils émettront plusieurs énergies à des intensités variées, selon l'énergie et l'intensité des photons entrants, l'orientation des cristaux, la concentration du mélange, etc.
En accord avec ce que les autres ont dit, les photons générés par une LED traversent pas mal d'atomes pour atteindre votre globe oculaire ou votre détecteur, transférant d'innombrables fois l'énergie, ce qui rend la distribution de Fermi (description de l'énergie quantique d'un système discret) un peu plus gaussienne (description macroscopique de mesures réelles).
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