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(diǎn)，更重要的是組成晶體的原子(或離子)在至少是μm量級(jí)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(gè)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(gè)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(jí)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(duì)于單晶硅來說，它由硅原子組成，通過兩個(gè)原子間共有一對(duì)自旋相反配對(duì)的價(jià)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(duì)的價(jià)電子所形成的原子間的結(jié)合力，稱為共價(jià)鍵。由共價(jià)鍵結(jié)合而成的晶體稱為共價(jià)晶體，硅和鍺都是典型的共價(jià)晶體。共價(jià)鍵具有飽和性和方向性。飽和性是指每個(gè)原子與周圍原子之間的共價(jià)鍵數(shù)目有一定的限制。硅和鍺等IV族元素有4個(gè)未配對(duì)的價(jià)電子，每個(gè)原子只能與周圍4個(gè)原子共價(jià)鍵合，使每個(gè)原子的最外層都成為8個(gè)電子的閉合殼層，因此共價(jià)晶體的配位數(shù)(即晶體中一個(gè)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(jià)鍵時(shí)，電子云的重疊在空間一定方向上具有最高密度，這個(gè)方向就是共價(jià)鍵方向。共價(jià)鍵方向是四面體對(duì)稱的，即共價(jià)鍵是從正四面體中心原子出發(fā)指向它的四個(gè)頂角原子，共價(jià)鍵之間的夾角為109°，這種正四面體稱為共價(jià)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(gè)正方體中，將一個(gè)硅原子放置到正方體的中心位置，其他4個(gè)硅原子放置到正方體的頂點(diǎn)，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(duì)價(jià)電子，線的方向表示共價(jià)鍵方向。共價(jià)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(jià)四面體半徑。單純依靠圖2那樣的一個(gè)四面體還不能表示出各個(gè)四面體之間的相互關(guān)系，為充分展示共價(jià)晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，圖3畫出了由多個(gè)共價(jià)四面體所組成的一個(gè)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(gè)正立方體，整個(gè)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(gè)原子。該正立方體的邊長(zhǎng)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(gè)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(diǎn)，格點(diǎn)的總體稱為點(diǎn)陣。對(duì)硅這種具有金剛石結(jié)構(gòu)的立方晶系，通常取某個(gè)格點(diǎn)為原點(diǎn)，再取立方晶胞的三個(gè)互相垂直的邊OA、OB和OC為三個(gè)坐標(biāo)軸，稱為晶軸，則硅的晶胞可如圖4所示，圖中OA、OB和OC長(zhǎng)度就是晶格常數(shù)a，一般以a作為晶軸的長(zhǎng)度單位。OA、OB和OC稱為晶胞的三個(gè)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(diǎn)可以作一條直線，而且通過其他格點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(gè)晶面和3個(gè)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(gè)晶向和3個(gè)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(dòng)的圖形表達(dá)方式，圖6中的透視圖舉例說明了立方晶體的三個(gè)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(jī)半導(dǎo)體