沒有什么東西像光這樣吸引我們，它給我們帶來(lái)光明，帶來(lái)溫暖，孕育萬(wàn)物生長(zhǎng)。然而它究竟是什么，卻是直到量子力學(xué)逐漸取得成就的時(shí)候，我們才逐漸地揭開了它神秘的面紗，但至今我們也沒能完全窺透它的本質(zhì)。

跳動(dòng)的火光

一、古人對(duì)為什么會(huì)有光的理解

對(duì)于為什么會(huì)有光，圣經(jīng)里如是說(shuō)，起初，神創(chuàng)造天地。地是空虛混沌，淵面黑暗；神的靈運(yùn)行在水面上。神說(shuō)：”要有光，就有了光。神看光是好的，就把光和暗分開了。神稱光為晝，稱暗為夜。有晚上，有早晨，這是頭一日。

而中國(guó)古人不信這個(gè)邪，我們從漢字“光”這個(gè)字來(lái)看，上面是火，下面是人。這說(shuō)明人在看護(hù)著這個(gè)火，因?yàn)檫h(yuǎn)古時(shí)候，保存火種都是很不容易的，需要有人專門守護(hù)。光的意思就是從光源（火）發(fā)出來(lái)的東西。

煤油燈

二、燈光的發(fā)展和變遷

從石器時(shí)代到今天近10萬(wàn)年的時(shí)間里，我們的最基本的人工光源其實(shí)一直都是用火。從最早的篝火、再到火把、燃燒動(dòng)物和植物的脂肪、蠟燭、煤油燈等等。除此之外，我們能利用的光源就只有太陽(yáng)和月亮，以及只能欣賞的點(diǎn)點(diǎn)星光。

今天需要光來(lái)照明那是很簡(jiǎn)單的，開關(guān)一按，各種發(fā)光原理的燈就亮了。然而，我們開始用電燈來(lái)照明，只不過是150多年的時(shí)間，跟漫長(zhǎng)的人類用光照明的歷史比起來(lái)不值一提。

白熾燈

電燈是將電能轉(zhuǎn)化為光能，以提供照明的設(shè)備，出現(xiàn)于第二次工業(yè)革命，其工作原理是：電流通過燈絲（鎢絲，熔點(diǎn)達(dá)3000℃以上）時(shí)產(chǎn)生熱量，螺旋狀的燈絲不斷將熱量聚集，使得燈絲的溫度達(dá)2000℃以上，燈絲在處于白熾狀態(tài)時(shí)，就像燒紅了的鐵能發(fā)光一樣而發(fā)出光來(lái) 。燈絲的溫度越高，發(fā)出的光就越亮。

1854年，美國(guó)鐘表匠亨利·戈貝爾用一根放在真空玻璃瓶里的碳化竹絲，制成了首個(gè)有實(shí)際效用的電燈，持續(xù)亮了400個(gè)小時(shí)，不過他并沒及時(shí)申請(qǐng)專利。

1860年，英國(guó)人約瑟夫·斯旺也制成了碳絲電燈，但當(dāng)時(shí)的真空技術(shù)水平不過關(guān)境。直到1878年，英國(guó)的真空技術(shù)發(fā)展到合乎需要的程度，他才發(fā)明真空下用碳絲通電的燈泡，并且獲得英國(guó)專利。斯旺自己的屋子是英國(guó)用電照明的第一所私人住宅。

不同顏色的熒光燈

1874年，加拿大的兩名電氣技師申請(qǐng)了一項(xiàng)電燈專利：在玻璃泡之下充入氮?dú)?，以通電的碳桿發(fā)光，但他們沒有足夠財(cái)力繼續(xù)完善這項(xiàng)發(fā)明，于是在1875年把專利賣給了愛迪生。愛迪生購(gòu)入專利后嘗試改良燈絲，終于在1880年制造出能持續(xù)亮1200個(gè)小時(shí)的碳化竹絲燈。

20世紀(jì)初，碳化燈絲被鎢絲取代，鎢絲白熾燈沿用至今。1938年，熒光燈誕生。1998年白光LED燈誕生。

LED燈組成的光影世界

三、LED發(fā)光原理

費(fèi)米能級(jí)的定義：根據(jù)量子力學(xué)理論，具有半奇數(shù)自旋量子數(shù)（通常為1/2）的費(fèi)米子，如電子，遵循泡利不相容原理，即一個(gè)量子態(tài)只能被一個(gè)粒子所占據(jù)。因此，費(fèi)米子在能級(jí)中的分布遵循費(fèi)米-狄拉克分布。分布函數(shù)f(E)是指電子占據(jù)能帶（導(dǎo)帶）中某個(gè)能級(jí)的幾率（電子的能量越往上越高）。如果是討論空穴載流子的話（空穴的能量越往下越高），那么就應(yīng)該是相應(yīng)于價(jià)帶中某個(gè)能級(jí)所空出（即沒有被電子占據(jù)）的幾率。

對(duì)于絕緣體和半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，費(fèi)米能級(jí)處于禁帶中間。特別是本征半導(dǎo)體和絕緣體，因?yàn)樗鼈兊膬r(jià)帶是填滿了價(jià)電子（占據(jù)幾率為100%）、導(dǎo)帶是完全空這的（占據(jù)幾率為0%），則它們的費(fèi)米能級(jí)正好位于禁帶中央（占據(jù)幾率為50%）。

LED燈的微觀結(jié)構(gòu)

當(dāng)禁帶寬度相等的p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)，我們常用的是p型硅與n型硅的結(jié)合。電流通過這樣的晶片時(shí)，n型半導(dǎo)體內(nèi)的電子與p型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴在發(fā)光層劇烈地碰撞復(fù)合產(chǎn)生光子，以光子的形式發(fā)出能量（即大家看見的光）。

總結(jié)

我們今天的絢麗光影世界，離不開科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)能力的提升，特別是得益于量子力學(xué)在微觀領(lǐng)域中的成就。說(shuō)到這里我不得不提幾句，那些一邊享受著量子力學(xué)帶來(lái)的巨大利益，一邊說(shuō)量子力學(xué)錯(cuò)誤，是騙子的人是不是應(yīng)該好好去學(xué)習(xí)一下呢。這個(gè)PN結(jié)的原理，不僅是LED燈的發(fā)光原理，更是我們今天半導(dǎo)體、集成電路、電腦、手機(jī)的最基礎(chǔ)元器件的基礎(chǔ)原理。小伙伴們，長(zhǎng)點(diǎn)心吧。