元素周期表里的爱情 老叶科普堂（四）

◆原子的吸引与键结

大家很喜欢用星座、生肖与血型来了解一个人，女孩子喜欢用星座来分析男女恋爱配对，传统中国人喜欢看生肖与八字来分析事业婚姻与财富，血型可以分析一个人的个性与人格特质，有趣的是大家都喜欢分析别人比较多，尤其是透过所谓的星座生肖与血型来分析别人跟自己合不合适，但是最后你知道自己是哪一型的吗？

人类最不了解的事情就是人类永远不了解自己，于是我们用星座生肖与血型来归纳人的属性，不是那么精确，但是也宁可信其有，不可信其无，这些规律也许就是统计学的归类吧，像我一样是天秤座，十月出生的人由于出生的时候气候，环境与社会氛围的相似性，这些人应该会有一些共同的属性吧，同样的生肖也有这点意思，也许这就是西方的星座与东方的生肖最大意义吧。

同样的道理，对于包罗万象的万物规律与物质的如何组成，也一直困扰着人类，但是古时候用归类法像是古希腊将所有事物归类为土、火、空气和水四种物质成分已经无法满足与解释万物的组成，而人类也一直试着寻找万物构成的规律，一百多年前的1869年，门捷列夫终于看到了物质组成的规律，他于是做成了一个表格，这个表格不但找到了组成物质的基本单位原子的规律，排出了一个元素周期表，甚至预言了人类还没发现的物质。

大家初中或高中的时候，都要背元素周期表，但是很多人都不知到这些符号与数字所代表的意义，只是为了考试强记与死记这些看不懂的符号与不知所以然的数字。所以今天我要用人格特质来描述元素的特性，男女之间的互动来分析原子与原子之间的键结，也许可以给大家较为有趣与深刻的认识。

周期表里面元素周围有几个数字信息是很重要的，左上角的数字是原子序，就是上一章叙述像男子汉一样的质子数目，碳C的数字是6，表示碳原子核里面的质子有6个，像飘忽不定的美少女电子也有6个，另一个数字原子量是12，表示中子也是6个，但是有时候同样一个碳C原子，原子量会有所不同，我们称一样的原子序但是不同的原子量的元素为同位素，碳14（C14）是碳12的同位素，会与正常的碳元素均匀混在一起，他的半衰期（某元素含量衰减成一半的时间）是5700年，由于人类的历史大约只有几万年，所以我们通过碳C14含量就可以知道这个物质有几千年的历史，所以考古学都是使用碳C14含量分析文物来判定它们是什么时期或朝代。

言归正传，上面的图就是我们以前上化学课最讨厌的周期表，我现在从最左边第一族开始介绍，你也可以看看你是偏左边的人还是偏右边的人。

我们人类的欲望就是十全十美，五子登科，同样的道理，周期表的原子们他们的欲望是什么呢？就是把最外层环绕的电子填满，所有的化学反应过程就像人类奋斗过程一样，成功取得圆满，把电子填满八个，跟中国人对八的情有独钟一样，电子也很喜欢神奇数字八。最外层不满八个电子的原子，寂寞而不满足，他们想跟别的原子结合，因此会把彼此的最外层轨道混在一起，共同使用共价电子。

氩，原子序18，最靠近原子核的轨道有两个电子，下一层有八个，第三层再加八个。氩完成了[2，8，8]的电子配置，而且不需要更多的电子，十分愉快满意。氯是氩在周期表的左边邻居，原子序是17。这表示它的核心有17个质子，外头有17个电子围绕着它，氯的电子从内到外配置是[2，8，7]，氯很想再得到一个电子，有谁外层是一个电子的呢？就是它，寂寞的、小小的氢原子，像一个渴望爱情的虚荣少女，穿着夏天的洋装坐在门廊，梦想一个富二代把它带走。

所以一旦像王思聪的氯原子开着超跑飞驰而过，氢就被电到了。氢原子伸出纤纤玉腿，用它的电子轨道缠绕着氯原子，像花痴一样十分愿意拿最外层的电子和氯所拥有的七个共享。他们彼此都很满意，开始守着八个共价电子的关系，这就是共价键;原子彼此共享电子，好让外层填满，周期表的每一栏（或称为族），各自具有相同的键结特性，这有助于我们当个现成红娘，帮他们找到理想的另一半。

如上图所示，周期表的最左边，也是第一栏的最上方，写着第一族。氢和它下方一整栏的好朋友们全部都像爱美的少女一样有着闪亮的外表，爱慕虚荣的个性（第一族原子有金属光泽和绝佳的柔软度），它们最外层轨道只有一个电子，不喜欢落单与需要人陪的个性，使它们在键结的时候有点天雷勾动地火，干柴烈火的程度，所以它们比较不挑，只希望有人爱，它们的婚姻与爱情来得快去得也快，过度主动永远会是弱势的一方这个道理用在这一族还蛮贴切的。

周期表的第二栏，就是第二族，包含了长期受到忽视的碱土族，它们最外层轨道有两个可用的电子，和第一族一样乐于分享，第二族的原子很努力的想高攀拥有六个电子的原子，比如跟氧原子，好让最外层的电子轨道填满，这一族的外在条件不是很好，但是勇于追求，追求之后得到的也许会比较忍让与珍惜，结局也许比第一族好多了。

从第三栏到第十二栏，每一栏的人丁都比较单薄，是所谓的过度金属，这个称呼有时候会让你迷惑，但是我只在乎十一栏的金属：铜、银、金。它们是金属群中的明星：可延展但够强韧，美丽又实用，他们从土里挖出来，和其他没那么耀眼的原子们分离，因为纯粹的时候最美。这些漂亮的家伙让其他人相形失色，因为它们不容易生锈，也难以伪造，虽然有一个或两个电子可以分享，但是要看上门的是谁，以及如何提出邀约，它们令人着迷，即使邀请也不会正面回应，但也是因为如此才大受欢迎。

第十三到第十五栏是我们后面文章的重点，就是半导体族群，像志趣相投，因了解而结合，门当户对的婚姻一样，它们知道怎么跟其他人交往，共创家庭，一起开拓事业，硼族拥有三个共价电子，硅有四个，氮有五个，跟第一栏与第二栏的家伙不同，它们结合是基于共有的价值，没有太多的算计，所以它们结合之后创造了更大的奇迹，硅，锗，砷化镓，磷化铟与氮化镓，每一对结合都产生巨大的效益，创造人类的现代科技文明。

第十六和第十七栏，队长是氧和氟，外层分别拥有六个和七个电子，它们跟花花公子王思聪一样很清楚自己的本钱，所以常常跟不同的原子交往，这让它们对自己满怀信心，而且觉得是件顺理成章的事，它们乐于分享自己的电子，不过生性火爆（这两族的化学反应有时候确实容易爆炸），而且要求很多。

周期表最右边，你总算遇到一整栏不需要任何电子的原子：惰性气体。它们最外层有满满的八个电子，所以不想和别人结合，也只想独善其身，其它原子认为这一族很无趣，但是它们也有不同的属性，稀有又昂贵的疝与氪就像优秀的女博士高才生或只想游戏人间的钻石王老五，它们看不上世俗的男男女女，单着比在一起快乐，当然像氦气一样的宅男也是在这一族，氖气就像单身的电视或电影明星一样，可以作为彩色霓虹灯照耀夜空，但是永远就是单着，因为它们高不可攀。

人与人的关系有男女的婚姻关系，亲情关系与朋友关系，同事关系，同样的原子与原子之间也会存在着很多关系，共价键结合关系，离子键结合关系，金属键结合关系，如前面所述，共价键结合是稳定的婚姻关系，婚姻是否美满要看这个结合是否有相同的价值观与共有的价值，半导体的共价结合给了我们典范。

离子键结合就有点恋爱的味道了，第一族的钠需要一位拥有七个电子的原子跟它分享，好凑满八个，它不顾反对爱上了氯，奉上了自己唯一多出来的电子，你以为氯会把自己的电子拿出来分享吗？错了，它抓了钠的一个电子填满了自己的外层，少了外层电子，钠变成带正电，氯变成带负电，还因为氯的自私行为造成的电磁力而靠在一起，于是它们是注定要在一起的激情离子对，一个爱的多，一个有爱但比较少，虽然彼此都不满足，却也难以短期内分开，但是离结婚还远着呢？女的给了男的全部，男的还不想结婚，这样的关系不知道要持续多久，这不就是目前男男女女恋爱的最佳描述吗！

金属键是自由的电子与排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成的，金属键因为没有固定的方向，所以是非极性键。金属键就像同侪之间的友谊，男的叫兄弟，女的叫闺蜜，这样的关系是超性别的，这样的友谊是长久的，很难破坏的，所以金属晶体受外力时，虽然会变形，金属原子发生位移，但是自由电子的连接作用没有变，金属键没有被破坏，所以金属晶体具有延展性，这不就是友谊天长地久的最佳写照吗！

◆半导体的特性

前面说过，半导体是原子与原子结合最佳典范，所以创造出了二十世纪与二十一世纪人类的科技文明，到底什么是半导体呢？后面就开始我们最重要的主题：

半导体

●半导体的固体能带与禁带宽度

固体材料依照导电性可以分为非导体、半导体、良导体与超导体等四种，其中只有「半导体」具有发光的特性，因此这里所讨论的模型虽然适用于所有的固体，但是主要是针对半导体而言。一块砂粒大小的半导体(又称为「块材(Bulk)」)其实就包含了极多个原子， 1公克的硅大约有1023个原子，因为1个硅原子有1个原子核，原子核外有14个电子(硅的原子序14)，所以1公克的硅大约有1023个原子核，原子核外大约有14×1023个电子，要如何描述这么多的原子核与电子在一块硅固体中的行为呢？科学家们开始发挥想象力，我们来看看他们是怎么说的吧！

固体有许多原子，因此会有许多个原子核，原子核外面有许多层薄薄的内层能级，更远的外面则有许多层薄薄的外层能级，科学家们「想象」这许多个原子核是集中在这块固体的正中央形成一个「大原子核」，如图一所示； 而许多层薄薄的内层能级集合起来就会形成一层有厚度的能带(Band)，称为「价带(Valence band)」；许多层薄薄的外层能级集合起来就会形成一层有厚度的能带(Band)，称为「导带(Conduction band)」，如图一所示。

▲图一 能级与能带示意图。

●固体材料的导电性

前面介绍过固体材料依照导电性可以分为非导体、半导体、良导体与超导体等四种，其中只有「半导体」具有发光的特性，为什么只有半导体具有发光的特性呢？

非导体(绝缘体)：电子填满价带，禁带宽度很大，如图二(a)所示，电子不易跳到导电带，所以导电性差。

半导体：电子填满价带，禁带宽度中等，如图二(b)所示，电子可以跳到导带自由移动。

良导体：电子填到导电带，没有禁带宽度，如图二(c)所示，电子可以自由移动，导电性佳。

▲图二 固体材料的导电特性。

●半导体中电子的分布

▲图三 聚集所有原子之后的电子能带放大示意图

前面我们已经了解半导体中的电子分布，也用一个硅的例子来说明让大家了解，所有的原子聚集在一起后会有1023层薄薄的内层能级集合起来就会形成一层有厚度的能带(Band)，称为「价带(Valence band)」；1023层薄薄的外层能级集合起来就会形成一层有厚度的能带(Band)，称为「导带(Conduction band)」，如图三所示。看到这个图，大家有没有开始觉得科学家们的「想象力」实在太丰富了呢？这种说法虽然听起来有点不合理，却是目前被科学家们广泛接受的半导体材料发光原理模型了。 

现在解释这些大家陌生的名词：

•能带(Energy band)：

科学家们将电子可以存在半导体中，并且绕原子核运行的区域称为「能带(Energy band)」，半导体的能带可以分为「价带(由内层能级集合起来形成)」与「导带(由外层能级集合起来形成)」，如图四(a)与(c)所示。我们可以将电子在半导体的价带与导带的行为，想象成“老王”在大楼的一楼与顶楼，如图四(b)与(d)所示。

•价带(能量较低)：

在没有外加能量时，原子核外所有的电子都在「价带」绕着原子核运行，价带的电子能量较低，比较稳定，如图四(a)所示。价带就好像大楼的「一楼」，大楼内的老王在大楼的一楼，一楼的能量较低，比较稳定，也比较安全，如图四(b)所示。

•导带(能量较高)：

在有外加能量(光能或电能)时，则其中一个电子会由价带跳跃到「导带」，导带的电子能量较高，比较不稳定，如图四(c)所示。导带就好像大楼的「顶楼」，对大楼内的老王外加能量(爬楼梯或坐电梯)，则老王会由一楼升高到顶楼，顶楼的能量较高，比较不稳定，也比较危险，如图四(d)所示。

•禁带宽度(band gap)：

科学家发现，在价带与导带之间的区域是没有电子存在的，换句话说，电子原本在价带，当我们对半导体外加能量，电子并不是慢慢地爬到导带，而是电子吸收了这个能量以后「直接跳跃」到导带。价带与导带之间没有电子存在的区域称为「禁带宽度(band gap)」，而「禁带宽度的大小」就是价带与导带之间的能量差(位能差)，大家是否已经发现，半导体(1023个原子)的发光行为与一个原子的发光行为完全相同，只是「内层能级」换成「价带」、「外层能级」换成「导带」而已。

▲图四 半导体固体的价带与导带。

●半导体的发光原理

图五(a)为砷化镓的能带示意图，如果仔细观察图五(a)会发现，其实图中真正有意义的部分只有砷化镓的上方，因此科学家将砷化镓上方虚线的部分画成如图五(b)的简图。
砷化镓的电子在没有外加能量的情况下都在「价带」，导带则是空的，如图五(b)所示。对砷化镓外加能量(光能或电能)，则其中一个电子会由价电带跳跃到「导电带」，如图五(c)所示。由于导电带的电子能量较高，比较不稳定，因此电子一不小心便会由导电带落回价电带，并将刚才吸收的能量以「光能或热能」的形式释放出来，最后电子回到原先的状态，如图五(d)所示，这是所有光电科技产品必定遵守的定律，我们称为「能量守恒定律」。

【重要观念】

•对半导体外加能量(光能或电能)，使电子由「价带」跳跃到「导带」的动作称为「激发(Pumping)」。


▲图五 砷化镓固体的发光原理。

●半导体的发光颜色

半导体的发光颜色与禁带宽度的大小有密切的关系，「不同的半导体」由于「禁带宽度的大小不同」，所以「发光的颜色不同」，可以应用在不同的科技产品上。半导体的发光有下列三个特性：

•禁带宽度愈大，发光的能量愈大(波长愈短，例如：蓝光)如图六(a)所示，氮化镓的价带与导带之间的距离较大，代表「禁带宽度较大」，电子由价带跳跃到导带所需要外加的能量较大，电子由导带落回价带所释放出来的光能量也较大(波长较短，例如：蓝光)。

▲图六 半导体固体的禁带宽度大小与发光颜色的关系。

•禁带宽度愈小，发光的能量愈小(波长愈长，例如：红光)如图六(b)所示，砷化镓的价带与导带之间的距离较小，代表「禁带宽度较小」，电子由价带跳跃到导带所需要外加的能量较小，而电子由导带落回价带所释放出来的光能量也较小(波长较长，例如：红光)。

•要以能量大的光(波长较短)，去激发能量小的光(波长较长)由于半导体的价带与导带之间的区域电子无法存在，故外加的能量(光能或电能)必须足够大，使电子由价带「直接跳跃」到导带以上，也就是说，外加的能量(光能或电能)必须「大于或等于」释放出来的能量(光能或热能)，才能使电子「直接跳跃」到导带以上。

如果外加的能量是光能，释放出来的能量也是光能，则外加的光能必须「大于或等于」释放出来的光能，大家别忘记，光的能量愈大则波长愈短(例如：蓝光)，而光的能量愈小则波长愈长(例如：红光)，因此，要以能量大的光(波长较短，例如：蓝光)照射到半导体，才能使半导体释放发出能量小的光(波长较长，例如：红光)。

▲图七 不同半导体材料发出的光谱不同，在应用上也非常不同 

不同的半导体材料有不同的禁带宽度，禁带宽度的大小可能无法完全解释半导体发光的全部原理，发光层的量子化也会影响这些材料做成元器件的特性，但是主要还是材料的本征特性最关键，在光电科技发达的今天，几乎所有三族与五族的半导体材料都被我们半导体材料的科学家开发出来了，如图七所示，由波长最长的远红外线的磷化铟光通信主动组件到可见光的的砷化镓，铝铟镓磷，磷化镓与铟镓氮，到紫光与紫外光的氮化镓与铝镓氮材料，这些材料不但便利了我们人与人之间的沟通无阻，更丰富多彩了我们的世界，也让照明更节能更环保，减轻与降低了人类消耗地球资源的速度。

结语：我对科技的看法

水可以载舟，亦可以覆舟，科技同样也是如此，原子核裂变技术可以利用它来发电产生不排放二氧化碳的能源，但是也开发出毁灭人类的原子弹，我们学会了半导体技术让人类生活更便利，人与人之间的物理空间距离越来越近，但是技术发展到极致，却也让我们人类之间的心里距离越来越远，沉迷在虚拟空间的人越来越多，不可自拔。我始终相信科技源自于人性，科技是要造福人类而不是要激发我们人类贪婪的欲望，我想半导体发光与照明这个科技就是如此，这也是我从事科技业的使命，让我们半导体照明从业者继续努力对人类做最大的贡献吧。

*注：本文由行家说APP与作家专栏作者葉国光先生联合出品。欢迎保留来源和作者的全文转发。授权联系微信号：hangjia199