固體有晶體和非晶體之分。晶體具有一定的外形、固定的熔點，更重要的是組成晶體的原子(或離子)在至少是μm量級的較大范圍內(nèi)都是按一定的方式規(guī)則排列而成的。晶體又分為單晶與多晶，單晶是指整個晶體主要由原子(或離子)的一種規(guī)則排列方式所貫穿，常用的半導(dǎo)體材料硅、鍺、砷化鎵等都是單晶。其中硅和鍺為元素半導(dǎo)體，砷化鎵稱為化合物半導(dǎo)體。多晶則是由很多小晶粒(每個可以看成單晶)雜亂地堆積而成的。除晶態(tài)半導(dǎo)體外，尚有非晶態(tài)半導(dǎo)體，如非晶態(tài)硅、非晶態(tài)鍺等，它們沒有規(guī)則的外形，也沒有在μm量級的較大范圍內(nèi)都是按一定的方式規(guī)則排列，只是在若干原子間距內(nèi)的較小范圍內(nèi)存在結(jié)構(gòu)上的有序排列。二維情形下的非晶、多晶和單晶示意圖如圖1所示。
對于單晶硅來說，它由硅原子組成，通過兩個原子間共有一對自旋相反配對的價電子把原子結(jié)合成晶體。如前所述，這種依靠共有自旋相反配對的價電子所形成的原子間的結(jié)合力，稱為共價鍵。由共價鍵結(jié)合而成的晶體稱為共價晶體，硅和鍺都是典型的共價晶體。共價鍵具有飽和性和方向性。飽和性是指每個原子與周圍原子之間的共價鍵數(shù)目有一定的限制。硅和鍺等IV族元素有4個未配對的價電子，每個原子只能與周圍4個原子共價鍵合，使每個原子的最外層都成為8個電子的閉合殼層，因此共價晶體的配位數(shù)(即晶體中一個原子最鄰近的原子數(shù))只能是4。方向性是指原子間形成共價鍵時，電子云的重疊在空間一定方向上具有最高密度，這個方向就是共價鍵方向。共價鍵方向是四面體對稱的，即共價鍵是從正四面體中心原子出發(fā)指向它的四個頂角原子，共價鍵之間的夾角為109°，這種正四面體稱為共價四面體，顯然其是正四面體，在幾何領(lǐng)域中也稱為阿基米德固體，如圖2a所示。如果將其放置到一個正方體中，將一個硅原子放置到正方體的中心位置，其他4個硅原子放置到正方體的頂點，則可以形成如圖2b所示的情況。
圖3 硅的晶胞示意圖
圖2中，原子間的連線表示共有一對價電子，線的方向表示共價鍵方向。共價四面體中，如果把原子粗略看成圓球，并且最鄰近的原子彼此相切，圓球半徑就稱為共價四面體半徑。單純依靠圖2那樣的一個四面體還不能表示出各個四面體之間的相互關(guān)系，為充分展示共價晶體的結(jié)構(gòu)特點，圖3畫出了由多個共價四面體所組成的一個硅晶體結(jié)構(gòu)的晶胞(或稱為元胞)，稱為金剛石結(jié)構(gòu)晶胞，它是一個正立方體，整個硅晶體就是由這樣的晶胞周期性重復(fù)排列而成的。不難發(fā)現(xiàn)，金剛石結(jié)構(gòu)晶胞中有8個原子。該正立方體的邊長稱為晶格常數(shù)，圖中用a來表示。表1給出了幾種金剛石結(jié)構(gòu)晶胞的晶格常數(shù)。
晶體是由晶胞周期性重復(fù)排列構(gòu)成的，整個晶體就像網(wǎng)格，稱為晶格，組成晶體的原子(或離子)的重心位置稱為格點，格點的總體稱為點陣。對硅這種具有金剛石結(jié)構(gòu)的立方晶系，通常取某個格點為原點，再取立方晶胞的三個互相垂直的邊OA、OB和OC為三個坐標軸，稱為晶軸，則硅的晶胞可如圖4所示，圖中OA、OB和OC長度就是晶格常數(shù)a，一般以a作為晶軸的長度單位。OA、OB和OC稱為晶胞的三個基本矢量，用a、b、c表示。
圖4 晶體的晶軸
通過晶格中任意兩格點可以作一條直線，而且通過其他格點還可以作出很多條與它彼此平行的直線，而晶格中的所有格點全部位于這一系列相互平行的直線系上，這些直線系稱為晶列，晶列的取向稱為晶向。晶格中的所有格點也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，這樣的平面系稱為晶面族。
在硅的晶體中，有3個晶面和3個晶向是最重要的。圖5畫出了立方晶系的這些晶面和晶向。圖中，數(shù)字相同的晶面和晶向是垂直的，比如(100)垂直于[100],(111)垂直于[111]。
圖5 晶體中重要的3個晶向和3個晶面
這些晶面和晶向?qū)τ谥谱靼雽?dǎo)體器件是很重要的。借助于更生動的圖形表達方式，圖6中的透視圖舉例說明了立方晶體的三個重要的不同種類的平面。
圖6 立方晶體的透視圖
文章來源：三菱電機半導(dǎo)體
