正确认识和使用发光二极管
当前，发光二极管（LED）已经在许多方面得到广泛的应用。要在实验教学中更好地发挥LED的作用，就必须正确认识它的物理特性和技术参数。但令人遗憾的是，常会见到使用不当甚至屡损坏的情况。其原因是误认为LED和钨丝小灯泡是同一类发光元件或者具有相同的电特性，在设计实验时简单地用LED代替小灯泡或电流表，或照搬小灯泡的供电方式造成的。这反映了一些老师对于新技术不了解，缺乏查询有关技术资料的意识和习惯。
01 发光二极管的发光机理
发光二极管的管芯是用某些特殊的半导体材料（如磷化镓、砷铝化镓、氮化镓等）制成PN结，当它正向导通时。空穴和自由电子发生复合，就辐射出光子而发光。不同材料制成的PN结发射出的光子频率不同，光的颜色就不同。红、绿、蓝、黄等单色发光管射出的并非理想的具有单一频率（或者说单一波长）的单色光，而是一段频带，产品说明书给出的是其峰值波长。看起来发同样颜色光的LED，由于所用半导体材料的不同，峰值波长也会有些差别。例如红光的有625、630、0nm等，黄光的有588、590nm等，绿光的有525、570nm等，蓝光的有460、470nm等。各色光LED的频带宽窄也各自不同，这些都可以用分光镜检测到。白光LED是二次发光机理，管芯内的P-N结发出蓝紫色光，再用这个光激发荧光粉而发出白光，上述过程是在管芯内完成的，外界看不到。白光LED虽含有各色光，但光谱与日光差别较大，光色“发青”，并不适合专业摄影用。
钨丝灯泡是利用金属导体电阻生热发光的，发光机理与LED不同。钨丝灯泡的光谱特点是连续的，包含从红到紫各种颜色的可见光以及红外线。当钨丝温度很高时，其光谱与日光相当接近。
LED虽然也发热，但是它将电能转化为光能的效率要比白炽灯泡高得多。 LED发光响应速度快（延迟时间仅10-7～10-9 s），可以认为一通电就立刻发光。而白炽灯泡则较为迟钝，其钨丝需要一个升温的过程，这在实验中用于显示快速变化的电流是不利的。
02 发光二极管的电学特性
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LED的结构是半导体PN结，就必然具有单向导电性。但它只有在正向导通时才能发光，所以主要关注的是它的正向伏安特性。
例如：测量一只直径5mm圆柱形透明外壳、发绿光的高亮度 LED ，并且观察它发光状况，得到的结果和伏安曲线如表1和图1所示。
由观测结果可认为：电压约2.6V时开始导通发出微光，即将此值称为这种LED的“阈值电压”。电压2.8~2.9V时发出的亮光能满足一般工作的需要，可作为它通常的“工作电压”。 表 1 U/V 0 2.00 2.30 2.50 2.62 2.66 2.71 2.77 2.81 2.86 2. 2.93 2.99 3.06 I/mA 0 0 0 0.01 0.05 0.10 0.20 0.50 1.00 2.0 3.0 5.0 10.0 20 发光状况 无 无 无 微 弱 稍强 亮 更亮 很亮 极亮 图 1
可以看出：从开始发光到极限状态，所加的正向电压仅仅增加了约0.5V这么微小，而正向电流却急剧增大。因此，控制LED工作状态的正确方法应当是调节通过它的正向电流，而不宜采用调节电压的方法。
03 钨丝灯泡和发光二极管具有不同的电学特性
钨丝灯泡的伏安特性如图2所示。加上电压就有电流通过，电压增大时，电流的增长不太剧烈，而且渐趋平缓。所以即使电压稍大于额定值，一般也不会烧断灯丝。因此使用时，是通过调节灯泡两端的电压来控制它的工作状态的。所以说钨丝灯泡是一种电压控制性元件。它一般会标出额定电压。
发光二极管不是随便加上一个电压就能工作，而必须使正向电压达到其阈值
图 2
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电压才能有足够的电流通过而发光。发光颜色不同的LED，阈值电压不同。发光后，需要调节的是电流大小。所以说发光二极管是一种电流控制性元件。说明书标出的“工作电压”可视为其阈值电压，仅供选择电源时参考，而非额定电压。更需要关注的是它允许通过的最大电流。（超过了会烧毁PN结！）
04 常用发光二极管的种类
LED的种类较多，图3展示常用的几种。直径3mm、5mm圆柱形外壳的最常用，消耗的电功率仅几十毫瓦。它的两根管脚中，长的是正极。圆柱形LED外壳的半球形顶端有聚光作用，大部分光从此处向前射出。装配示教板时往往需要LED发出的光有大的发散角度，使处在不同方位的学生都能看到，应选用“散射型”的，其外壳像草帽。商品称为“食人鱼”型的功率较大，约100mW，常用在广告灯箱中。照明用的大功率LED可达到图 3
10W，使用时必须安装散热片。
LED的塑料外壳，分为无色透明的和有色的，前者透光好，后者射出的光比较柔和。为在实验中易于识别它是否发光和光的强弱，要选用无色透明外壳的。同样功率的LED发光效率也有较大差别，分为普通、高亮度和超高亮度的。通常可将超高亮度的作为首选。
双色发光管内部有两个芯，能分别发出红光和绿光，也可以同时发光。当两种色光强度差不多时，混合后看起来是橙色光。三基色发光管内部有三个芯，能分别发出红光、绿光和蓝光，因而能混合出多种颜色的光。
LED发光响应速度快（延迟时间仅10-7～10-9 s），所以很多大型的视频彩色影显示屏就是用上万个或更多的三基色发光管组成的。还可以用LED制成数码管、字符管、点阵显示器等，用来显示简单的文字和符号。
红外发光管发射出峰值波长850或940nm的红外线。常用在遥控器中发射控制信号，气垫导轨上光电门中也大多用它做光源。
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图05 发光二极管的供电
依据LED的正向伏安特性曲线，可知它是电流控制型半导体器件。因此使用时不是着眼于控制加在它上面的电压，而是必须通过它的电流。直接用电池给LED供电是危险的！
正确的供电方式是给它串联一只限流电阻R再接到电源上，电路如图4甲所示。电源E的电压应稍大于该LED的阈值电压。对于常用的Φ5（直径5mm）小功率LED，电流在1~2 mA时已经能发出较弱的光，10mA时就足够亮了，最大不可超过20mA。功率越大的LED，允许通过的最大电流也越大，产品说明书上
会给出具体数值，使用前一定要查阅。在电子电路中配合三极管或集成电路等使用LED时，也要串联限流电阻或采取其他限流措施。这样做，就可以保证LED不会被烧毁。
限流电阻R的阻值，可以用两种方法确定。一是依据电路中相关的参数估算，例如图4甲中电源E电压为5.0V，红光LED的工作电压约1.8V，希望电流I控制在10mA，则R图 4
(5.01.8)V320，于是选用标称值330Ω、1/8W的电
0.01A阻器。二是接入电流表调试，例如LED的工作电压未知，则取R为可调电阻器，并串入毫安表监测，如图3乙所示。调节R使通过LED的电流不超过该型号LED允许的最大值，然后取一个与调好后的R值接近的定值电阻器来代替可调电阻器。
还要注意：普通的整流用硅二极管能够承受相当大（例如几百伏）的反向电压，而LED却不行，一般的承受能力不到10V。所以使用LED时不可将电源的正负极接反或承受瞬间反向电压的冲击，否则很容易使LED被击穿而损坏。
LED的并联： 怎样用一个6V电池同时给发红光和发绿光的LED并联供电？乍看起来似乎图5中两种电路都可以。但实际做一下却不然：（a）图电路中两个LED都正常发光，（b）图电路中却只有红色LED发光。原因是两种LED的阈值电压不同，红色的约1.7V，从其伏安曲线可知发光最强时
图 5
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两端工作电压不会超过2.0V，那么在（b）图用限流电阻的情况下，就使m、n两点间电压被在2.0V以下。绿色LED的阈值电压约2.6V，现在它两端的电压却达不到，则不能发光。电子技术上将此种情况称作：红色LED对m、n两点间电压Umn起了“钳位”作用。所以（b）图设计是不可行的。常用的发光颜色不同的LED各自的阈值电压都不同，（可以分别测出），若混合并联使用，也要像（a）图那样分别串联限流电阻。
06 发光二极管的检测
用指针式多用表检测：会遇到两种情况；一是正、反向都不导通，二是正向时导通并且发光。究其原因乃是：二极管必须达到一定的“阈值电压”才能导通，硅管约需0.6V，而由砷化镓等不同材料制成的发光管则需1.6 ~ 3V，并且因发光颜色而不同。常用的指针表欧姆挡内部安装的干电池，有1.5V和3V两种情况。上述第一种情况就是内部只装有一节干电池，可按照图6所示再临时外接一节干电池E，即可使LED发光了。注意：有外接电池的情况
下，不要在测量前进行“欧姆零点”的调节。还可以看到选用的欧姆挡倍率挡越低发光越亮，这是低倍率挡电路的内阻较小的缘故。
自组电路测绘LED的正向伏安特性：典型电路如图7所示。因为所加正向电压超过某个值时LED才会导通，必须用变阻器R1 接成可调分压电路，来提供LED导通前和导通后所加的正向电压。还必须串联电阻箱 R2 对LED做限流保护并调节通过它的电流，可先预置为100Ω。为了避免电压表分流造成的误差，要用数字多用表的直流2V和
20V挡测量LED两端的电压U。用J0411型指针式多用表的直流10mA挡测量通过二极管的电流I，其最小分度为0.2mA，读数小于1/10分度就可记为“0”。
07 需要注意的几个问题
1. 用LED显示电流的方向
不可让学生盲目默认，而必须通过简单的单向导电性实验来实现，这才符合认知规律。要求学生会辨识LED两个引脚的正负极性及如何接入待显示的电路中。
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图 7
图 6
2. 不可将LED视为理想的二极管
LED导通发光时，不可视为一段没有电阻的导线。它的阈值电压往往会对电路产生不良的影响。例如用于显示电容器的充放电过程时，就会造成“充不满、放不净”的结果，即最终充到的电压小于电源的电压，所充入的电荷也不能全部放掉。若选用电流表或钨丝灯泡则不会出现上述问题。
LED只在很小的反向电压很小时才呈现不导电的状态。因此，用于显示自感现象时，必须在电路中采取保护措施以避免被击穿。
3. 普通 LED并非理想的单色光源
做双缝干涉实验时，可以用发红光和绿光的LED代替传统的钨丝灯泡加色玻璃滤光。所测出的乃是该LED的峰值波长。
做色光混合的实验时，要选择峰值波长合适的红、绿、蓝三色LED，还要能分别调节各自的亮度。
4. 关于激光二极管
常用的激光笔就是一种半导体激光器。它的主要部件是激光二极管(Laser diode，LD)，是用特殊的半导体材料制成p-n结。其发光的机理在本质上和普通的发光二极管相同，但是在芯片内部制成谐振腔，因而它能够沿特定的方向辐射出很细的强激光束。
半导体激光器产生的激光品质不如氦氖激光。缺点是：光束的发散角较大，光束的横截面为椭圆形，光的频带较宽，即单色性不太好。但还是可以满足中学实验要求的。通常会在激光头外壳内用小凸透镜对光束做整形，加以改善，市场上的产品大都附有一小块驱动电路板，电路的主要作用是让激光头工作在恒流状态。
图8是一种激光头的外形，外壳用铜制成，红、黑色引线应分别接电源正负极。其中有一种激光功率为5mW的，能发出峰值波长650nm的鲜红色激光，在15m处的光斑为椭圆形，椭圆的长轴约20mm、短轴约14mm。它的工作电压约为3V，工作电流最大值为40mA。
图9是一种激光笔的外形，能射出峰值波长532nm的绿色激光。无论红色或绿色激光激光笔，选用20 ~ 30mW的就
图 9 图 8
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足够中学实验使用了。
要特别注意安全，绝不可让激光束直接射入眼中！也不要长时间地注视激光在物体上投出的亮点。
5. 在凸透镜成像实验中用LED代替蜡烛
如图10 所示，制作一个由十几只普通LED组成的平面发光物。LED必须选用散射发光“草帽”型的，板面宜涂成黑色。
图 10
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