沒有什麼東西像光這樣吸引我們，它給我們帶來光明，帶來溫暖，孕育萬物生長。然而它究竟是什麼，卻是直到量子力學逐漸取得成就的時候，我們才逐漸地揭開了它神祕的面紗，但至今我們也沒能完全窺透它的本質。

跳動的火光

一、古人對為什麼會有光的理解

對於為什麼會有光，聖經裡如是說，起初，神創造天地。地是空虛混沌，淵面黑暗；神的靈運行在水面上。神說：”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。

而中國古人不信這個邪，我們從漢字“光”這個字來看，上面是火，下面是人。這說明人在看護著這個火，因為遠古時候，保存火種都是很不容易的，需要有人專門守護。光的意思就是從光源（火）發出來的東西。

煤油燈

二、燈光的發展和變遷

從石器時代到今天近10萬年的時間裡，我們的最基本的人工光源其實一直都是用火。從最早的篝火、再到火把、燃燒動物和植物的脂肪、蠟燭、煤油燈等等。除此之外，我們能利用的光源就只有太陽和月亮，以及只能欣賞的點點星光。

今天需要光來照明那是很簡單的，開關一按，各種發光原理的燈就亮了。然而，我們開始用電燈來照明，只不過是150多年的時間，跟漫長的人類用光照明的歷史比起來不值一提。

白熾燈

電燈是將電能轉化為光能，以提供照明的設備，出現於第二次工業革命，其工作原理是：電流通過燈絲（鎢絲，熔點達3000℃以上）時產生熱量，螺旋狀的燈絲不斷將熱量聚集，使得燈絲的溫度達2000℃以上，燈絲在處於白熾狀態時，就像燒紅了的鐵能發光一樣而發出光來 。燈絲的溫度越高，發出的光就越亮。

1854年，美國鐘錶匠亨利·戈貝爾用一根放在真空玻璃瓶裡的碳化竹絲，製成了首個有實際效用的電燈，持續亮了400個小時，不過他並沒及時申請專利。

1860年，英國人約瑟夫·斯旺也製成了碳絲電燈，但當時的真空技術水平不過關境。直到1878年，英國的真空技術發展到合乎需要的程度，他才發明真空下用碳絲通電的燈泡，並且獲得英國專利。斯旺自己的屋子是英國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了一項電燈專利：在玻璃泡之下充入氮氣，以通電的碳杆發光，但他們沒有足夠財力繼續完善這項發明，於是在1875年把專利賣給了愛迪生。愛迪生購入專利後嘗試改良燈絲，終於在1880年製造出能持續亮1200個小時的碳化竹絲燈。

20世紀初，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發光原理

費米能級的定義：根據量子力學理論，具有半奇數自旋量子數（通常為1/2）的費米子，如電子，遵循泡利不相容原理，即一個量子態只能被一個粒子所佔據。因此，費米子在能級中的分佈遵循費米-狄拉克分佈。分佈函數f(E)是指電子佔據能帶（導帶）中某個能級的機率（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），那麼就應該是相應於價帶中某個能級所空出（即沒有被電子佔據）的機率。

對於絕緣體和半導體來說，費米能級處於禁帶中間。特別是本徵半導體和絕緣體，因為它們的價帶是填滿了價電子（佔據機率為100%）、導帶是完全空這的（佔據機率為0%），則它們的費米能級正好位於禁帶中央（佔據機率為50%）。

LED燈的微觀結構

當禁帶寬度相等的p型半導體與n型半導體結合時，我們常用的是p型硅與n型硅的結合。電流通過這樣的晶片時，n型半導體內的電子與p型半導體內的空穴在發光層劇烈地碰撞複合產生光子，以光子的形式發出能量（即大家看見的光）。

總結

我們今天的絢麗光影世界，離不開科學的發展和工業技術能力的提升，特別是得益於量子力學在微觀領域中的成就。說到這裡我不得不提幾句，那些一邊享受著量子力學帶來的巨大利益，一邊說量子力學錯誤，是騙子的人是不是應該好好去學習一下呢。這個PN結的原理，不僅是LED燈的發光原理，更是我們今天半導體、集成電路、電腦、手機的最基礎元器件的基礎原理。小夥伴們，長點心吧。