从火光到LED灯，听厦门大学校长讲述“照明革命”背后的故事

[导读]从火把开始，人类如何寻找光明?神奇的第三代半导体

　　主讲嘉宾：张 荣 厦门大学校长

　　张荣：同学们，大家好!欢迎来到《大学》，今天我想跟大家交流的是神奇的第三代半导体。

　　在介绍第三代半导体之前，我先给大家介绍两个在厦门大学校园里的故事。同学们进入厦门大学以后，都会看到在厦门大学校园里面有两栋楼，一栋叫做囊萤楼，一栋叫做映雪楼，是取自于中国古代两个非常著名的故事。

　　“囊萤”讲的是晋代一位叫做车胤的青年。因为家里穷，晚上读书的时候没有照明的灯。怎么办呢?夏天他就用一个布囊，到野外去采集萤火虫，用萤火虫的光来照亮他读的书，所以这个故事叫“囊萤”。

　　“映雪”讲的是冬天到雪地里用雪反射微弱的光线来读书，所以叫做“映雪”。

　　在厦门大学校园里面还有另外一个故事。

　　1937年，抗战开始以后，因为厦门岛受到了日军威胁，所以当时萨本栋校长就决定厦门大学整体搬迁到闽西的一个小城--长汀。但是搬过去以后，整个城里没有电灯，学生学习没有电灯照明，萨本栋校长就把政府配给他自己用的一辆小汽车里面的发动机拆下来发电。

　　【小片】校史馆

　　张荣：这个就是萨校长的那辆小汽车。这就是原来的照片。这个就解决了当时学生在长汀上学时照明的问题。

　　张荣：所以当时大家都说，萨校长给大家送来了灯光。

　　这两个故事串起来都有一个主题，这个主题是什么?就是照明。

　　张荣：人类的照明可以说经历了一个非常长期、复杂的演变过程，人类的照明史或者说照明的技术发展史，就是人类文明史的一个缩影。

　　大家可能知道，最早的照明是来自于什么?都是利用自然光源。最早用太阳来照明，可以用篝火、火把。所有这些都是天然产物，利用自然的光源进行照明。

　　一直到了19世纪，到了1878年，人类才第一次有了我们今天看到的白炽灯，照明进入了“电气时代”，真正可以用我们完全可控的方式实现照明。

　　今天的白炽灯比过去已经有了进步，但是因为物理上的限制，它发光的效率依然很难突破15%的大家公认的界限。

　　后来，随着技术的进步，发明了水银灯。水银灯它跟白炽灯的照明机理就不一样。水银灯是靠激发气体，它是一种辉光放电、气体放电发光。比起白炽灯效率要高一些，但是它的效率按照今天的观点来看也是有上限的。

　　随着技术的进步，一方面人类希望能够提升发光的效率，另外一方面我们也希望发展全固体的灯。它很耐用，同时一般情况下它的寿命也会很长。这个时候，随着半导体技术的发展，LED也应运而生。

　　我们厦门承办金砖会晤这个会议的时候，整个厦门市也被装点得非常漂亮，而装点它的最主要电光源就是LED。

　　从手机到航天飞船，现代社会为何离不开它?

　　张荣：从半导体被发现，特别是从半导体进入大规模的生产、应用到今天，大体上经过了三代，通常都称它们为第一代半导体、第二代半导体、第三代半导体。

　　第一代半导体大家都比较熟悉，最典型的就是硅。今天我们所用的各种半导体器件里，有超过90%的产品都是用硅来做的。硅的特点，第一是工艺非常成熟，技术上很成熟;第二是它相对来说比较便宜，它的原材料就是二氧化硅，各种砂子都可以用来提炼出硅。但是从物理学家角度来看，这个材料也有它的局限性，就是硅很难发光，它的发光效率很低，很难让它发出我们所需要的光。所以第一代半导体，通常不能用来做发光器件。

　　第二代半导体，我们早期也称之为化合物半导体，主要的代表是砷化镓、磷化铟这样的半导体。第二代半导体和硅的差别是什么呢?就是第二代半导体因为它的能量间隔，比起第一代半导体来说又宽了一点，就使得它有各种组合的方式。因此用第二代半导体通过不同的组合方式，就有可能实现比我们现在看到的大面积光伏电池有更高的能量转换效率。我们现在看到的大面积使用的硅的太阳能电池板一般在20%，好的可以到22%，如果用化合物半导体可以做到40%以上。

　　而现在中国上天的这些材料，无论是飞船，还是我们的空间站，像嫦娥、玉兔、月球车等等，用到的太阳能电池板都是用化合物半导体做的。这个技术厦门大学也做了非常大的贡献，现在有70%的器件就是由厦门大学和合作单位来供应的。这个技术的主要贡献者就是厦门大学的康俊勇教授，他今天也参加了我们的活动。以上我讲的是第二代半导体。

　　我们现在讲的第三代半导体是什么样的材料呢?第三代半导体最典型的代表就是氮化物半导体，特别是氮化镓，以及跟它相关的氮化铝、氮化铟。三族氮化物半导体是最典型的第三代半导体。有了这个氮化物半导体，我们就可以发展蓝光的LED，发展绿光的LED，以及通过组合，发展白光的LED。我们今天看到的各种五彩缤纷的显示屏，大部分手机其实也都是用的液晶屏，背后的光源都是LED的。

　　正是因为有了LED技术，特别是第三代半导体驱动的、能够发出各种各样颜色光的LED的技术，我们才有了今天五彩缤纷的世界，我们才能看到流光溢彩的建筑照明，才能看到那么美丽的城市景观。

　　2000亿度!有了它一年能省这么多电

　　LED的发展过程一方面是寻求电光源，叫“照明革命”，寻求照明技术的突破。但实际上另外还有一个很重要的特点，就是固态照明技术变成一个非常好的节能减排技术，LED变成一个低碳光源。习近平总书记指出：“我们要加快推进节能减排和污染防治，给子孙后代留下天蓝、地绿、水净的美好家园。”LED技术，恰恰就是为改善我们的环境，减少能量消耗，从而为我们的生态文明建设作出贡献。

　　LED节能的效果如何呢?非常了不得。2017年，我们因为推广了LED，全中国实现节电将近2000亿度。这个数字接近了2014年澳大利亚全国的用电量，所以这是一个非常了不起的成就。