水少沙見
漢字表形音義，傳承中國博大精深的文化。許慎，說文解字敘：「沙，水散石也，從水從少，水少沙見」。
漢字表形音義，傳承中國博大精深的文化。許慎，說文解字敘：「沙，水散石也，從水從少，水少沙見」。
沙來自風化與侵蝕後的崩解岩石，搬運這碎屑的自然營力是水和風。在搬運過程中，風化與侵蝕仍持續發生，待營力減弱至不能攜帶時才沈積下來。氣候與地形往往決定營力強弱，營力強弱遂決定搬運碎屑的粒徑大小與路徑長短。河川上游位處山區，山高水急，搬運能力強與風化侵蝕作用旺盛，因而常見較大礫石堆積。待河川進入平原，坡緩水緩，搬運能力降低，礫石大量沈積在河床，沙石則堆在河彎流速慢的地方。最後，海納百川，流速銳減，出海口出現大量沙洲與沙嘴等地形。沙，果真如其字，從河邊到海邊，水少可見沙。
沙繼續搬運至海底沈積，經成岩作用轉為砂岩，再深埋受到壓力與熱就變質為石英岩，續隨地殼隱沒至深處可熔融為岩漿，累積一定壓力，將沿著地殼裂隙上升噴發，急速冷卻的岩漿生成結晶較小或為玻璃質的火山岩。反之停留在地殼裡冷卻的岩漿，形成結晶較大的深成岩。終究不論是沈積岩、變質岩或火成岩，都能經由地殼活動再抬出海面，不斷受到風化與侵蝕，循環如圖一。沙中乾坤
沙的成分以岩石裡的石英為主。由於地殼含有豐富的氧和矽，兩者化合成的矽酸鹽類礦物如長石、石英、角閃石、輝石、雲母等造岩礦物，就占有地殼物質的96 %，再說石英是二氧化矽排列有序的結晶固體，摩氏硬度七、化學穩定性高而不易風化，因此成了常見的沙粒。
石英發育成良好的六角柱狀單晶，別名水晶。在不同的溫度與壓力下，會以圖二中的各種晶體結構存在，常溫常壓下為α石英(三方晶系)，溫度上升的話，轉為β石英(六方晶系)、鱗石英(六方晶系)或方石英(等軸晶系)。高壓下為柯石英(單斜晶系)或斯石英(正方晶系)。晶體依晶軸長與夾角，分成圖三的六大晶系，其中六方與三方晶系的對稱性相似，可簡併為一組。在六大晶系，只有等軸晶系的三晶軸等長與相互夾角皆90度，具有所謂的等向性，意同晶體各方向的物性與化性皆一致，其它晶系則屬異向性。α石英屬於三方晶系，當晶體受到壓力，內部結構會因電荷分布不均，爾後產生電位差；施加電壓便發生形變，此即石英的壓電性，也是打火機得以火花點火，與石英鐘錶能震盪不已的秘密。
多晶質的瑪瑙，視為許多細小石英單晶的組成。非晶質的玻璃與蛋白石遂由排列無序的二氧化矽構成。玻璃是過冷液體，原料為二氧化矽含量高的石英沙，又名矽沙。一般液體低於熔點，容易產生結晶固化，玻璃卻凝固成非結晶，常溫下仍以極緩慢的速度流動，原因在於熔融二氧化矽的黏滯性大，導致分子來不及排列成有序的結構就冷凝。最好的例子就是歷史悠久的哥德式教堂，裡頭的花窗玻璃往往表面不平整與下緣較厚。玻璃除了應用於建材與器皿製作，高科技裡頭也有它的身影，例如：加工纖細像髮絲的玻璃光纖，當光以入射角大於臨界角的方式在其內部傳遞，由光纖進入空氣時的全反射現象就被應用在通訊，這使得光訊號能以近乎無損失的狀態，傳送至相當遠的地方。
蛋白石是由二氧化矽小球堆積成的塊體，內含些許結晶水，無特定晶形。在掃描式電子顯微鏡下，奈米小球呈六方最密堆積，形成介電常數產生週期性變化的光子晶體，當光照在晶體上，某特定波長光會於晶體內無法傳遞而反射，反射光波長隨小球直徑增加而往長波長偏移，亦隨角度不同而變化，加上內部為直徑大小與堆積取向不一的奈米小球，故能呈現豐富色彩。目前科學家正致力於研製特殊三維結構的光子晶體，試圖控制光在晶體的行進方向，以便發展出運算速度優於積體電路的積體光路系統。沒想到，同樣的二氧化矽，卻隨分子排列的不同，而有了圖四的各種結構，也衍伸出各種材料特性與功能。煉沙成矽
石英沙再經過冶煉後，就是半導體與光電產業使用的矽材料。石英沙和焦炭加熱至攝氏1500到2000度，發生以下的氧化還原反應：SiO2 + 2C→Si + 2CO，生成的多晶矽純度達98%以上，亦稱冶金級矽。假使要製作半導體元件，得將矽純度再提高，先把冶金級矽研磨成粉末，在攝氏300度與氯化氫氣體反應為三氯矽烷，化學方程式如下：Si+ 3HCl→SiHCl3 + H2，此氣體經過濾器、冷凝器以及純化器後，得到純度達0.999999999的三氯矽烷液體，以此液體於高溫下和氫氣產生熱裂解，所得到的多晶矽就是電子級矽。
製造太陽能板的材料幾乎是多晶矽，半導體使用的是單晶矽，其製作過程如圖五，就像一串山楂浸入紅色熔融糖漿中，一邊慢慢旋轉拉起，再置於盤中冷卻成糖葫蘆。首先以攝氏1415度將電子級矽熔融於石英坩鍋中，再把矽單晶棒浸入液態矽作為種晶，溫度控制於熔點以下，如此熔融矽液裡的矽原子便會依照單晶矽的結構排列，佐以緩慢速率旋轉與拉昇，可得單晶矽晶柱，而後經切割、研磨與拋光，就是矽晶圓片。矽之所以成為當代科技寵兒，大量的原物料來源與氧化物為強而穩定的絕緣材為其主因，但更重要的是材料本身的半導體特性。
矽的外層價電子有四，在和週遭原子分享電子後，鍵結成圖六的鑽石結構，價電子軌域在交互作用下形成價電帶，未被價電子佔據的區域就形成導電帶。如價電子欲成為自由電子導電，得從價電帶頂端躍遷至導電帶底部，中間得越過的能量障礙就是能隙，根據此能隙介於導体與絕緣體間，得名半導體。所幸半導體能隙不大，導電率極易受溫度、光照與摻雜原子濃度而改變，舉例來說：矽能隙在300K時僅1.1 eV ( 1 eV = 1.6 × 10-19焦耳)，隨著溫度上升，價電子獲得熱能激發至導電帶的機率增加，導電率也相對提升，就為圖七的本質半導體，而藉摻雜磷或硼等元素，來提升矽導電率的半導體，則屬異質半導體。
異質半導體多摻雜磷或硼等元素，磷的價電子數為五，在與週遭矽原子分享電子鍵結後，自身的多餘電子易形成自由電子，進而提升矽導電率，且和磷摻雜濃度成正比，此類由電子主宰導電率的半導體屬N型。反觀三價的硼和週遭矽原子的鍵結，內部為缺一電子的空位，等同於帶一正電的電洞主宰了矽導電率，這種半導體就屬P型。現代二極體與太陽能板的主結構，即P型與N型半導體的結合，雙載子電晶體則是P-N-P或N-P-N。矽說科技
P-N接面的工作原理如圖八。P-N接面形成時，P型半導體的電洞會往N型半導體擴散，而N型半導體的電子也會往P型移動，雙方電子電洞在經復合後消失，形成缺乏移動載子的空乏區。此時P型半導體帶負電，N型半導體帶正電，在接面形成一處靜電場，其間的電位差即內建電位，對電子或電洞而言，要進入這相同電性的區域，得先克服此電位能障。如果能給予二極體順向偏壓，意同P型端施加正電壓，N型端施加負電壓，就可抵銷掉部分內建電位，促使P型區的高能電洞與N型區的高能電子，通過空乏區去形成電流。要是提供反向偏壓，反而會造成空乏區增寬與靜電場增強，讓反向電流更加難以通過，讓二極體具有整流功效。順道一提的是，在順向偏壓下遷移的電子或電洞，相遇產生的復合現象能將能量轉換為熱或光。一般的矽基二極體大多轉換為熱，能夠轉化為光的發光二極體，通常是三五族元素的化合物半導體，這便是發光二極體的原理。
另外，矽基二極體承受光照時，根據光的波粒二重性，光子能量大於矽能隙時，矽的電子會吸收入射光子的能量，由價電帶躍遷至導電帶，形成電子電洞對，然後在P-N接面的靜電場作用下分開，電子會往N型區移動，電洞則往P型區，接上電極後就可將電流導出，形成圖九的太陽能板電池。因為矽能隙僅1.1 eV，經過E = hν的換算，h是蒲朗克常數，ν為光頻率，矽吸收波長小於1127 奈米的光，這涵蓋了太陽光譜的部分紅外線，以及所有可見光和紫外線，所以適用於製作太陽能板，雖然單晶矽的光電轉換效率較好，但目前市面上以多晶矽太陽能板為主流，因為其製程便宜。 台灣經濟就這麼維繫在這粒粒細沙，區區一粒沙竟創造如此高的附加價值，自身擁有的時空更是寬廣無垠，底蘊的學識更為豐富。要在這當中學習的是師法自然，並從有限條件去發展無限可能，省思在自然生態與科技文明間，如何取得平衡點。現今地球暖化日趨嚴重，台灣擁有相當良好的半導體與光電產業背景，應當為這地球貢獻一份心力，且讓台灣成為一座發光發熱的綠色矽島吧！
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