许多人认为，半导体发光二极管（LED）是上世纪60年代美国科学家发现的。事实上，100多年前在马可尼实验室工作的亨利·朗德（Henry Round）已经注意到碳化硅二极管的“闪亮发光”，与此同时，奥列格·V·洛谢夫（Oleg V.Losev），一位被大家遗忘的俄罗斯天才则发现了这种发光的LED。

 

The life and times of the LED |[mdash]| a 100-year history

奥列格·V·洛谢夫(1903-1942)

 

　　半导体发光二极管（LED）是当今技术的一个关键组成部分。现代家庭拥有的具有LED的发光指示器，用于读取电脑或游戏机驱动器中的CD和DVD光盘，或者用于信号传输的电子设备，包括越来越多的汽车都配备有LED指示灯和刹车灯。然而，基于LED的半导体激光器把光信号调节成通讯光纤，服务于不断增长的宽带通信和互联网需求，在接下来的十年里，新兴的LED市场价值预计每年将超过150亿美元。
 
　　然而，我们真的知道是谁发明了LED以及何时发明的？我们非常地清楚在第一个红宝石激光器出现后不久，半导体激光器逐渐被揭开了面纱――其核心处有一个LED。1962年，美国四个研究小组同时发表了基于砷化镓晶体功能的LED半导体激光器的论文，其中三篇发表在《应用物理快报》的同一卷中。论文作者来自于通用电气公司的罗伯特·霍尔（Robert Hall）和尼克·霍洛尼亚克（Nick Holonyak），还有国际商用机器公司（IBM）的马歇尔·内森（Marshall Nathan）、麻省理工学院的罗伯特·莱迪克尔（Robert Rediker）等。这些名字早已被纳入到光电子学的名人堂中。
 

被遗忘的身影

　　事实证明，这个故事涉及到一位年轻而极有才华的科学家奥列格·V·洛谢夫（Oleg V.Losev），他曾在几个苏联无线电实验室中任技师，1942年饿死于列宁格勒的封锁期，年仅39岁。洛谢夫没有受过正规教育，但在他短暂的研究生涯中，他曾在俄罗斯、英国以及德国主流期刊上发表过43篇论文，有16项专利授予。特别在固态电子学中研究中，他做出过许多重大发现，包括第一个固态半导体放大器以及发生器。
 
　　《无线电世界和电台评论》杂志在1924年写道：“洛谢夫先生由于其发现而在一段比较短的时间里获得了全世界的赞誉”。现在，洛谢夫对科学和工程的贡献基本已被遗忘，尽管包括电气与电子工程师协会（IEEE）成员埃贡·洛伯纳（Egon Loebner）在内的一些科学家在其家乡潜心研究洛谢夫的工作，但洛谢夫的非凡生活和科学成就是一个长期而细致的研究课题，而这篇文章仅仅触及他对于LED的发现。
 
　　上世纪20年代中期，洛谢夫观察到当电流通过无线电接收器中的整流二极管（氧化锌和碳化硅晶体）时，它们会发光。洛谢夫的第一篇论文是关于碳化硅二极管的发光，题目为“发光的碳化硅探测器和探测晶体”，发表在1927年俄罗斯的《无线电报电话》杂志上。随后，陆续在英国和德国的重要期刊上发表了基本构成我们现在知道的LED发现的文章。
 

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碳化硅检波器的电流电压图，显示了发光的开始。该工作由洛谢夫于1928年发表

 

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洛谢夫基于LED发明的“光电继电器”专利首页。洛谢夫是意识到LED用于电信通讯应用的第一人

 

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亨利•朗德关于碳化硅二极管发光的研究纪要――100年前对电致发光的首次发现

 

　　在他关于LED的第一篇文章中，洛谢夫建立了金属丝和碳化硅晶体接触点发光的电流阈值，并记录了该光的光谱。在1924至1930年间发表的16篇论文中，他较为全面地概述了LED的研究和其应用。在了解了“冷”（非热）发射性质的基础上，洛谢夫测定了电流的阈值，认识到LED发光与二极管的作用相连，并详细测量了装置的电流电压特性。他还研究了发光对于温度的依赖乃至液化空气（在当时使用的主要为氮基混合气体）的温度，通过把交流电应用到触点上产生的78.5千赫兹频率来调节LED的发光。
 
　　最引人注目的是，作为一位没有任何学历的年轻技师，洛谢夫敏锐地意识到当代物理学的发展。他用爱因斯坦的量子理论来解释LED的功能，并把整个发光过程称为“逆光电效应”。此外，他提出一个公式：用普朗克常数h联系落在二极管触点上的电压V、电子电荷e以及发光频率ν之间的关系，即ν=eV/h。这个公式至今仍在沿用。
 
　　尽管当时半导体能带理论尚未完全发展起来，但洛谢夫却能把碳化硅效应联系到电子的德布罗意物质波衍射中去。根据著名俄罗斯物理学家亚伯兰·约费（Abram Ioffe）的说法，当时洛谢夫曾写信给爱因斯坦，请求其帮助他进一步发展该理论，但却没有收到爱因斯坦的任何答复。
 

从未有过的革命

　　现在看来，洛谢夫1929年发表的关于对LED光谱测量，以及它们对电流依赖的详细数据，是非常不可思议的。根据后来的研究，表明了狭窄的谱线是激光作用的证据：1962年激光对基于砷化镓二极管作用的报告就被如此的谱线测量所支撑。1929年洛谢夫也许没有看到来自LED的相干激光辐射，但值得注意的是，上世纪90年代重新制造的第一个具有明显特征的蓝色LED，其使用的是碳化硅。
 
　　洛谢夫是意识到LED用于电信通讯潜力的第一人。在他题为“光电继电器”专利中的引言中，他写道：“文章提出的发明运用碳化硅探测器发光的常见现象，主要是通过在光继电器中使用这种探测器，目的是当光致发光触点被用来作为直接连接调制电流电路的光源时，能够用于快速的电报电话通信、图像传输以及其他应用。”这项专利于1927年申请，1929年12月31日获批。然而，这项专利不为人知，也没有得到任何的庆祝，要知道这本应该是意义重大的光子通信革命的开始。
 
　　洛谢夫是一位孤独的科学家，他没有任何弟子，也没有共同作者。在布尔什维克时期的俄罗斯，出生在一个贵族家庭并不是一个很好的起点。要知道，出自这样一个金粉世家的人当时是没有任何前途可言的。这位靠自学成材的科学家学过一些大学课程，但从来也没有正规的完成学业，洛谢夫最终于1938年被俄罗斯圣彼得堡的约费物理技术研究所授予了博士学位，尽管他并没有发表正式的博士论文。
 
　　洛谢夫研究生涯中最鼎盛的几年是在诺夫哥罗德无线电实验室度过的。此后，他在列宁格勒经历了多年煎熬，终于在列宁格勒医学研究所找到了一个不起眼的技术员工作。根据最近发现的洛谢夫自传中的描述，一段时间内，他仍然在列宁格勒市继续他的研究。他发现“利用半导体（类似于[真空]三极管），一个树型终端系统可以被构造出来。”
 
　　然而在1941年11月，他没有从被德军围困的列宁格勒把完成的（假定在重要硅设备上的）文章发给喀山市的《实验和理论物理》编辑部。它是我们现在所知道的晶体管论文吗？除非他的手稿被发现，否则我们永远也不会知道文章的确切内容。
 
　　可悲的是，在二战期间，他在列宁格勒市逝世了；更可悲的是，在当时战乱时期，他的名字被人们置之脑后。在接下来的艰苦岁月中，没有人宣传他的知识，也没人跟进他的发现去揭示其中的潜力。由于时代所限，把洛谢夫称为二十世纪物理学和工程学的巨人之一可以说是当之无愧的。
 
 

资料来源 Nature

责任编辑 则 鸣

 

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固态光电百年

如果不提及另外一位奇才，这个故事还不完整，他就是古列尔莫•马可尼的助手之一，后成为马可尼研究所所长的亨利•朗德，。1907年2月，朗德在《电力世界》杂志上发表了一篇研究纪要，其中报告了来自于碳化硅二极管的"闪亮发光"。由于该工作没有后续的报道，洛谢夫显然并不知晓。正如埃贡•勒伯纳（Egone Loebner）所建议的那样，认为朗德发明了LED是不合适的，他应该被认为是电致发光现象的发现者。无论如何，这两位科学家--洛谢夫和朗德--的名字，应当被安放在现代技术前沿历史中当之无愧的位置上，2007年也应当是固态光电的百年纪念日。