石英是由硅原子和氧原子组合而成的二氧化硅(Silicon Dioxide, SiO2)，以32点群的六方晶系形成的单结晶结构(图1)。单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性，当施加压力在晶体某些方向时，垂直施力的方向就会产生电压。当以一个电场施加在石英晶体某些轴向时，在另一些方向就会产生变形或振动。掌握单结晶石英材料的这种压电效应，利用其发生共振频率的特性，可以作为各类型频率信号的参考基准。当石英晶体以特定的切割方式, 以机械加工方式予以表面研磨，完成特定的外型尺寸就是通称的石英芯片(quartzwafer或quartz blank)。将这个石英芯片放置在真空环境中，在表面镀上电极，再以导电材料固定在金属或是陶瓷基座上，并加以封装，就成为石英晶体共振子(quartz crystal resonator)。将石英振荡子加上不同的振荡电路，可以做成不同特性的石英振荡器。例如：石英频率振荡器(CXO)，电压控制石英晶体振荡器(Voltage Controlled CrystalOscillator, VCXO)，温度补偿石英晶体振荡器(Temperature CompensatedCrystal Oscillator, TCXO)，恒温槽控制石英晶体振荡器(Oven ControlledCrystal Oscillator, OCXO)等。
图1 石英单结晶结构
石英晶体频率与工作环境温度的特性是一个很重要的参数。事实上，良好的频率与温度特性也是选用石英做为频率组件的主要因素之一。经由适当的定义及设计，石英晶体组件可以很容易的就满足到以百万分之一(parts per million，ppm)单位等级的频率误差范围。石英组件的频率对温度特性是离散振荡电路无法批量实现的。图2提供了数种不同的石英晶体切割角度的频率对温度特性曲线。
图2 不同切割角度的频率-温度曲线
当把石英共振子与振荡电路集成在一个封装内，由外部提供电源电压，形成一个主动组件输出频率信号，就是所谓的石英晶体振荡器。石英晶体振荡器通过设计不同的振荡电路和输出线路，提供不同特性的输出频率。例如：石英频率振荡器SPXO(Simple Package Crystal Oscillator)或称为CXO(ClockCrystal Oscillator)，可程序化石英晶体振荡器PCXO (ProgrammableCrystal Oscillator)，电压控制石英晶体振荡器VCXO(Voltage ControlledCrystal Oscillator)，温度补偿石英晶体振荡器TCXO(TemperatureCompensated Crystal Oscillator)，恒温槽控制石英晶体振荡器OCXO(OvenControlled Crystal Oscillator)。
图3 几种晶振内部电路原理图及频率-温度曲线
在大多数的应用场合，无源晶振和普通的有源晶振能满足大多数的应用场合，在对温度要求较高的通讯和控制应用中，需要使用低温漂的晶振。恒温晶振与温补晶振在较宽的温度范围内输出一个较稳定的信号频率，但其工作方式不同。温补晶振是利用热敏电阻搭成温补网络，通过计算来补偿石英晶体温度频率曲线使其平滑，来实现在宽温度范围的频率稳定度。恒温晶振是将石英晶体装入一个保温箱中，并将其温度加温到石英晶体温度曲线高温拐点温度，使晶体始终工作在恒温环境中。有些高端恒温晶振还要加双层恒温槽，以达到更高的精度。