电子科学与技术研究我们身边的各种电器。手机需要它。电脑需要它。电视也需要它。这个专业专门和电信号打交道。电信号看不见。电信号摸不着。但电信号很有用。我们说话的声音是信号。我们看到的图像也是信号。这些信号可以变成电信号。电信号可以传得很远。电信号可以存得很久。这就是电子科学要做的事情。

电子科学的基础是半导体。半导体是一种材料。它有时候导电。它有时候不导电。我们可以控制它。硅是常用的半导体。沙子里面有很多硅。硅提纯以后变成晶圆。晶圆像一张圆圆的镜片。工人在晶圆上刻出很多小路。这些小路比头发丝细得多。这些小路上能流过电流。电流就是电子的运动。电子很小很小。我们数不清它们的数量。我们控制它们的方向。我们控制它们的多少。

很多小路组成一个电路。电路像城市的道路。电子像路上跑的车。有的路让电子快跑。有的路让电子慢走。有的路把电子挡住。电路设计就是规划这些路。设计好了就要制造。制造在很干净的房间里进行。空气中灰尘不能多。灰尘会挡住小路。机器手把晶圆拿来拿去。光把电路图案印到晶圆上。药水洗掉不要的部分。一层又一层。最后切成小片。每个小片就是一个芯片。芯片装在黑色的盒子里。盒子外面伸出很多脚。这些脚可以插到电路板上。

芯片是电器的心脏。手机里有芯片。冰箱里有芯片。汽车里也有很多芯片。芯片让机器变聪明。最简单的芯片是开关。开关控制电流通和断。通代表一。断代表零。机器只认识一和零。这就是数字电路。很多开关在一起可以算数学。一加一等于二。机器用一和零来算。这叫做逻辑运算。与门是一个电路。或门是一个电路。非门也是一个电路。它们像积木。用积木可以搭出大房子。用这些门可以搭出大计算器。

光会算数不够。机器还要记住东西。存储器就是机器的笔记本。电流通过的时候记住一。没有电流的时候记住零。很多个零和一排成队。它们可以记住文字。它们可以记住照片。照片分成很多小点。每个小点有一种颜色。颜色用数字表示。数字变成零和一。零和一存进存储器。看照片的时候反过来做。零和一变成数字。数字变成颜色。颜色点拼成照片。

信号在电线里跑会累。信号跑远了会变弱。放大器给信号加油。信号太小看不清楚。放大器把信号变大。信号大了容易看。但放大器也会添乱。它自己会产生一点杂音。杂音和信号混在一起。我们要想办法减少杂音。挑选好的材料。设计好的电路。让信号清楚干净。

信号可以飞在空中。这就是无线通信。手机和基站说话。它们不用电线。它们用电磁波。电磁波是变化的电场和磁场。电场和磁场互相产生。它们像波浪一样传出去。波浪有高有低。高的地方叫波峰。低的地方叫波谷。一秒钟波峰过去的次数叫频率。频率高的波跑得远。频率低的波绕过墙。我们调好波的频率。我们调好波的强度。让它们带着声音信息。让它们带着图像信息。

天线把电信号变成电磁波。天线把电磁波变成电信号。天线有的很长。天线有的很短。长的天线收低频波。短的天线收高频波。天线后面是收发机。收发机把声音变成信号。收发机把信号变成声音。很多人一起说话会吵架。很多信号一起发会打架。我们让它们排好队。你发一段。我发一段。这叫分时。你用这个频率。我用那个频率。这叫分频。你的密码开你的锁。我的密码开我的锁。这叫编码。

信号处理是打扫卫生。收到的信号有杂音。杂音是没用的部分。滤波器像筛子。筛子留下有用的。筛子去掉没用的。有时候信号被压扁。有时候信号被拉长。我们要恢复它原来的样子。数学帮助了我们。傅里叶是个数学家。他说信号可以拆开。拆成很多正弦波。正弦波像滑梯。光滑地上去。光滑地下来。每个信号有自己的正弦波组合。分析这些组合。改变这些组合。信号就变干净了。

电子科学让生活方便。从前写信很慢。现在发短信很快。信号飞过大海。信号飞过高山。从前买东西带钱。现在手机碰一碰。手机里有射频芯片。射频芯片产生电磁波。电磁波碰到刷卡机。信息就传过去了。从前看病要去医院。现在手表测心跳。手表里有传感器。传感器测量身体信号。信号传到手机里。手机告诉你好不好。

电子科学也在进步。芯片上的小路越来越细。同样大小的芯片能放更多路。计算速度更快。耗电更少。这就是摩尔定律。摩尔是科学家。他说芯片能力每两年翻一倍。这个定律灵了很多年。现在遇到困难。小路太细了。电子会乱跑。科学家想新办法。用新的材料。用新的结构。三维芯片像盖楼房。一层电路上面再盖一层。地方省了。东西多了。

量子计算是另一个方向。普通开关只有两个状态。开或者关。量子开关可以同时开和关。这叫做叠加状态。很多量子开关一起工作。计算能力非常强。一个任务普通计算机算很久。量子计算机算很快。量子计算还在实验室。材料很难做。环境要求高。温度要很低。震动要很小。科学家每天在努力。

光电子也重要。电信号变成光信号。光信号在玻璃丝里跑。玻璃丝是光纤。光跑得很快。光跑得很远。光信号传很多信息。一根光纤传很多电话。一根光纤传很多电视节目。发光二极管是另一个东西。通电它就发光。光有各种颜色。红绿灯用它。显示屏也用它。它很省电。它很耐用。

电子科学的学习要耐心。要懂物理。电子怎么运动。电场怎么产生。要懂数学。方程怎么解。曲线怎么画。要懂化学。材料怎么配。反应怎么进行。要动手做实验。用电烙铁焊接零件。用示波器看信号波形。波形不对就检查。零件坏了就更换。一次又一次。直到成功。

这个专业的人工作很多。有的设计芯片。画电路图。写代码模拟。有的制造芯片。调机器。测质量。有的设计电器。画电路板。选零件。写控制程序。还有的做研究。想新点子。做新实验。写论文。

电子科学就在生活中。遥控器换台。空调调温度。汽车自动刹车。路灯自动亮。这些都有电子电路。这些都有芯片程序。电子科学改变生活。它让距离变短。它让时间变快。它让机器听话。它让人们联系。它还有很多事情要做。未来的电器会更聪明。未来的网络会更方便。电子科学继续发展。人们继续努力。