過去一百年里，半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)改變了我們生活的方方面面。關(guān)于半導(dǎo)體科技帶來的信息革命，我們大家都很熟悉了---誰每天還不上個(gè)網(wǎng)打個(gè)電話呢?但是，如果說半導(dǎo)體科技還推動(dòng)了農(nóng)業(yè)革命，你可能就有點(diǎn)疑惑了：種糧種菜這么土的活兒還用得著高大上的半導(dǎo)體科技嗎?我們還是來看看吧。
“民以食為天”。幾千年來，農(nóng)業(yè)一直是人類社會(huì)存在的基礎(chǔ)。人口的繁衍增殖都離不開農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。無論是選種育苗還是栽培收獲，無論是水利建設(shè)還是保墑抗災(zāi)，任何新技術(shù)都會(huì)被首先考慮是否可以用來提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)也不例外。
有史以來，農(nóng)民都是靠天吃飯的，因?yàn)檗r(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育依賴于“光、溫、水、肥、氣”，這些重要的環(huán)境因素都是很難控制的。“一年三百六十日，風(fēng)刀霜?jiǎng)?yán)相逼”，真正風(fēng)調(diào)雨順的年份又能有多少啊。自上個(gè)世紀(jì)以來，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展逐漸解決了水利設(shè)施和化肥的問題，生物技術(shù)的發(fā)展提高了選種育苗的水平，但是仍然不能徹底解決靠天吃飯的問題，因?yàn)椤叭f物生長(zhǎng)靠太陽”。如果能在房子里種莊稼，那該有多好啊!
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，房子里種莊稼的夢(mèng)想逐漸要變成現(xiàn)實(shí)了。首先是地膜和塑料大棚技術(shù)的普及，顯著降低了惡劣天氣對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響。但是，要想把莊稼種到房子里，必須解決光源的問題。農(nóng)作物的生長(zhǎng)是光合作用的結(jié)果，沒有光，扯什么都是白扯啊。而且，這個(gè)光源的光必須很強(qiáng)，這與養(yǎng)雞場(chǎng)大不一樣：現(xiàn)代化的養(yǎng)雞場(chǎng)是在房子里養(yǎng)雞，那里的光源只是起個(gè)照明的作用，因?yàn)樾‰u長(zhǎng)肉靠的是飼料，而不是葉綠素。只要有了合適的光源，就可以把莊稼種到房子里了，“溫、水、肥、氣”這些問題也比露天的情況好解決多了。
萬事俱備，只欠光源。怎么辦呢?傳統(tǒng)的電燈(白熾燈)肯定不行，它們靠的是電流加熱電阻絲來發(fā)光，效率太低。氣體燈的效率還行，不管是裝飾用的霓虹燈，還是工地里照明的高壓氙燈，但是它們的體積太大、造價(jià)也不便宜，而且是玻璃制品不宜維護(hù)，更重要的是它們的發(fā)光波長(zhǎng)受到填充氣體的限制，無法根據(jù)農(nóng)作物光合作用的最佳范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。上個(gè)世紀(jì)末開始流行的節(jié)能燈可以通過改變熒光粉來調(diào)節(jié)波長(zhǎng)，但是還是有體積大、造價(jià)高的問題，用來長(zhǎng)莊稼有點(diǎn)太奢侈了。說了半天，一個(gè)也用不上啊。怎么辦呢?別灰心，別喪氣，白光二極管(LED)來了。
白光二極管就是能夠發(fā)白光的發(fā)光二極管。二極管是典型的半導(dǎo)體器件，你可以認(rèn)為它是由兩種半導(dǎo)體材料密切拼接在一起的：一種半導(dǎo)體材料(n型材料)里面的電子多一些，另一種半導(dǎo)體材料(p型材料)里面的空穴多一些(“空穴”是專業(yè)術(shù)語，說的是電子留下來的“空位”，用來描述電子離開了自己本來可以停留的位置)，這兩種材料接觸的地方就叫p-n結(jié)。在外加電壓的作用下，p-n結(jié)兩側(cè)的電子和空穴會(huì)向?qū)γ骊嚨剡\(yùn)動(dòng)，彼此相遇之后就會(huì)“復(fù)合”發(fā)光---這是專業(yè)說法，你可以認(rèn)為電子掉到坑里(這個(gè)坑就是空穴)摔死了，在犧牲的瞬間爆發(fā)出了生命的光芒。這些道理人們?cè)缇椭懒耍瞧鸪踔荒茏尪O管發(fā)出紅光，而且效率也不太高，主要是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的限制。直到上個(gè)世紀(jì)九十年代，隨著半導(dǎo)體材料、物理和器件技術(shù)的發(fā)展，特別是以氮化鎵為代表的寬帶隙材料研究的進(jìn)展，人們終于做出了白光二極管。現(xiàn)在的白光二極管不僅體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜，而且發(fā)光波長(zhǎng)可以預(yù)先設(shè)計(jì)---房子里種莊稼的光源問題就要解決了，雖然大規(guī)模推廣還有很多材料、工藝乃至市場(chǎng)方面的問題需要解決。
把莊稼種到房子里(我們把它叫作植物工廠吧)，不僅可以消除惡劣天氣的影響，還可以根據(jù)農(nóng)作物的種類選擇合適波長(zhǎng)的光源，更可以方便地統(tǒng)籌安排“光、溫、水、肥、氣”這些主要環(huán)境因素。比如說，水的使用量就會(huì)減少很多，因?yàn)橹参镎舭l(fā)出去的水分可以回收利用了;一年到頭都可以長(zhǎng)莊稼了，而不再局限于春秋之間的半年時(shí)間里;不僅可以一樓長(zhǎng)水稻，二樓長(zhǎng)麥子，而且農(nóng)作物的輪作問題也容易解決了;光源的利用也更充分了，不管早中晚，光都是直射在莊稼上，即使需要關(guān)燈讓植物休息一下，也可以輪著來，一樓的白天對(duì)應(yīng)著二樓的黑夜 --- 好處還多著呢，數(shù)不勝數(shù)。當(dāng)然，這些好處的綜合利用也離不開半導(dǎo)體科技，在這樣的植物工廠里，各種農(nóng)作物的生長(zhǎng)因素的調(diào)度當(dāng)然離不開計(jì)算機(jī)了---這可是半導(dǎo)體科技的拿手戲啊。
植物工廠的普及不僅改變了傳統(tǒng)農(nóng)作物的種植方法，還會(huì)改變傳統(tǒng)農(nóng)作物的選種育苗方法。選種是個(gè)非常復(fù)雜的權(quán)衡過程，比如說，我們希望麥子的個(gè)子小(這樣就不容易在狂風(fēng)暴雨中倒伏)、麥穗大(這樣才能產(chǎn)量高)，而這兩個(gè)屬性可能是相互沖突的。如果這種麥子是要種在植物工廠里，那么我們選擇的時(shí)候就可以更多地偏向于麥穗大的屬性。實(shí)際上，既然植物工廠徹底改變了農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，那么選種育苗的原則和工序也必然要進(jìn)行相應(yīng)的變化。
好了，現(xiàn)在我們回到開始的問題：種糧種菜這么土的活兒用得著高大上的半導(dǎo)體科技嗎?答案就很明顯了：是的，半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)正在推動(dòng)農(nóng)業(yè)革命的發(fā)展。
