Light Emitting Diode (L.E.D), Photodiode, Solar Cell Questions in Gujarati

(C) લેપટોપ $PC$,ડિજિટલ ઘડિયાળો અને કેલ્ક્યુલેટર જેવા આધુનિક ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો ડિસ્પ્લે માટે લિક્વિડ ક્રિસ્ટલ ડિસ્પ્લે $(LCDs)$ નો ઉપયોગ કરે છે.
લિક્વિડ ક્રિસ્ટલ એ દ્રવ્યની એક એવી અવસ્થા છે જે પરંપરાગત પ્રવાહી અને ઘન સ્ફટિકો વચ્ચેના ગુણધર્મો ધરાવે છે.
તેમને વિદ્યુત ક્ષેત્રો દ્વારા પ્રકાશના પ્રસારણને નિયંત્રિત કરવા માટે વાપરી શકાય છે,જે તેમને ઓછી પાવર વાપરતી ડિસ્પ્લે એપ્લિકેશન માટે આદર્શ બનાવે છે.

(C) જ્યારે સેમિકન્ડક્ટરના બેન્ડગેપ કરતા વધુ ઉર્જા ધરાવતો મોનોક્રોમેટિક પ્રકાશ $PN$ જંકશન પર પડે છે,ત્યારે તે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી બનાવે છે.
ઉત્પન્ન થયેલી ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓની સંખ્યા આપાત ફોટોનની સંખ્યાના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે.
ફોટો-ઇલેક્ટ્રોમોટિવ ફોર્સ (ફોટો-$EMF$) જંકશનના ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ દ્વારા આ ચાર્જ કેરિયર્સના અલગ થવાને કારણે ઉત્પન્ન થાય છે,તેથી ફોટો-$EMF$ નું મૂલ્ય આપાત પ્રકાશની તીવ્રતાના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે.

(C) ફોટોડાયોડ એ $p-n$ જંકશન ડાયોડનો એક વિશિષ્ટ પ્રકાર છે જે પ્રકાશ પ્રત્યે સંવેદનશીલ હોય છે. જ્યારે તે પ્રકાશના કિરણો દ્વારા પ્રકાશિત થાય છે,ત્યારે ડેપ્લેશન રિજનમાં ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે,જે બદલામાં વિદ્યુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે છે. ફોટોડાયોડ માટેનું પ્રતીક પ્રમાણભૂત ડાયોડ પ્રતીક ધરાવે છે જેમાં બે તીર ડાયોડ તરફ નિર્દેશ કરે છે,જે દર્શાવે છે કે તેના પર પ્રકાશ આપાત થાય છે. તેથી,વિકલ્પ $C$ એ સાચી સાંકેતિક રજૂઆત છે.

(B) સેમિકન્ડક્ટરમાં ઇલેક્ટ્રોનને વેલેન્સ બેન્ડમાંથી કન્ડક્શન બેન્ડમાં ઉત્તેજિત કરવા માટે આપાત ફોટોનની ઉર્જા ઓછામાં ઓછી બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $E_g$ જેટલી હોવી જોઈએ.
આમ,શોધવાની શરત $h\nu \geq E_g$ છે.
મહત્તમ તરંગલંબાઇ $\lambda_{max}$ એ ન્યૂનતમ ઉર્જાને અનુરૂપ છે,જે બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $E_g$ જેટલી હોય છે.
$\lambda_{max} = \frac{hc}{E_g}$
અહીં $h = 6.63 \times 10^{-34} \, J \cdot s$,$c = 3 \times 10^8 \, m/s$,અને $E_g = 0.73 \, eV = 0.73 \times 1.6 \times 10^{-19} \, J$ આપેલ છે.
$\lambda_{max} = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{0.73 \times 1.6 \times 10^{-19}} \, m$
$\lambda_{max} \approx 1.703 \times 10^{-6} \, m = 1703 \, nm$.

(B) ઇલેક્ટ્રોનને વેલેન્સ બેન્ડમાંથી કન્ડક્શન બેન્ડમાં ઉત્તેજિત કરવા માટે આપાત ફોટોનની ઉર્જા ઓછામાં ઓછી બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $E_g$ જેટલી હોવી જોઈએ.
તેથી,$E = \frac{hc}{\lambda} = E_g$.
તરંગલંબાઈ માટે સૂત્ર: $\lambda = \frac{hc}{E_g}$.
અહીં $h = 6.63 \times 10^{-34} \, J \cdot s$,$c = 3 \times 10^8 \, m/s$,અને $E_g = 0.73 \, eV = 0.73 \times 1.6 \times 10^{-19} \, J$ છે.
કિંમતો મૂકતા:
$\lambda = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{0.73 \times 1.6 \times 10^{-19}} \, m$.
$\lambda \approx 1.703 \times 10^{-6} \, m = 1703 \, nm$.

(C) $APD$ એટલે એવાલાન્ચ ફોટોડાયોડ $(Avalanche \text{ } Photodiode)$.
ઓપ્ટિકલ ફાઇબર કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમમાં, રીસીવર છેડે એવા ઉપકરણની જરૂર હોય છે જે આવતા પ્રકાશના પલ્સને શોધી શકે અને તેને ફરીથી વિદ્યુત સિગ્નલમાં રૂપાંતરિત કરી શકે।
$APD$ એ અત્યંત સંવેદનશીલ સેમિકન્ડક્ટર ફોટોડાયોડ છે જે ગેઇન મેળવવા માટે એવાલાન્ચ ઇફેક્ટનો ઉપયોગ કરે છે, જે તેને નબળા ઓપ્ટિકલ સિગ્નલોને શોધવા અને તેને વિદ્યુત સિગ્નલોમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે આદર્શ બનાવે છે।
તેથી, $APD$ નું સાચું કાર્ય ઓપ્ટિકલ સિગ્નલનું વિદ્યુત સિગ્નલમાં રૂપાંતર કરવાનું છે।

(D) લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ $(LED)$ એ એક અર્ધવાહક $p-n$ જંકશન રચના છે જે જ્યારે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય ત્યારે તેમાંથી વિદ્યુત પ્રવાહ પસાર થતા પ્રકાશનું ઉત્સર્જન કરે છે.
$LED$ માં,ઇલેક્ટ્રોન અને હોલના પુનઃસંયોજનથી ફોટોન સ્વરૂપે ઊર્જા મુક્ત થાય છે,આમ તે વિદ્યુત-ઊર્જાનું પ્રકાશ-ઊર્જામાં રૂપાંતર કરે છે.
તેનાથી વિપરીત,સોલર સેલ અને ફોટો-ડાયોડ પ્રકાશ-ઊર્જાનું વિદ્યુત-ઊર્જામાં રૂપાંતર કરે છે.

(C) ફોટો-ડાયોડ $(Photodiode)$ એ એક $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે ખાસ કરીને રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં કાર્ય કરવા માટે બનાવવામાં આવ્યો છે.
જ્યારે રિવર્સ બાયસ હેઠળના ફોટો-ડાયોડના જંકશન પર પ્રકાશ પડે છે,ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે,જે રિવર્સ સેચ્યુરેશન કરંટમાં વધારો કરે છે.
$LED$ ફોરવર્ડ બાયસ હેઠળ કાર્ય કરે છે,અને સોલર સેલ કોઈપણ બાહ્ય બાયસ વગર (ફોટોવોલ્ટેઇક મોડમાં) કાર્ય કરે છે.

(B) સોલાર સેલ એ એક એવું ઉપકરણ છે જે સૌર ઉર્જાનું વિદ્યુત ઉર્જામાં રૂપાંતર કરે છે.
નોંધપાત્ર પ્રમાણમાં વિદ્યુત પાવર ઉત્પન્ન કરવા માટે,સોલાર સેલ શક્ય તેટલો વધુ આપાત સૂર્યપ્રકાશ મેળવવા માટે સક્ષમ હોવો જોઈએ.
પાવર આઉટપુટ એ પ્રકાશના સંપર્કમાં આવતા સોલાર સેલના ક્ષેત્રફળના સીધા પ્રમાણમાં હોવાથી,મોટો કાર્યરત વિસ્તાર વધુ ફોટોનનું શોષણ કરવાની મંજૂરી આપે છે.
તેથી,સોલાર સેલનો કાર્યરત વિસ્તાર મોટો રાખવામાં આવે છે જેથી મળતો પાવર વધે છે.

(D) શોષણ થવા માટે આપાત ફોટોનની ઊર્જા પદાર્થના બૅન્ડગૅપ $(E_g)$ જેટલી અથવા તેનાથી વધુ હોવી જોઈએ.
આપેલ છે: $E_g = 2.0 \ eV$.
ઊર્જાને જૂલમાં ફેરવતા: $E_g = 2.0 \times 1.6 \times 10^{-19} \ J = 3.2 \times 10^{-19} \ J$.
ઊર્જા અને આવૃત્તિ $(f)$ વચ્ચેનો સંબંધ $E_g = hf$ છે,જ્યાં $h$ એ પ્લાન્કનો અચળાંક છે $(h \approx 6.626 \times 10^{-34} \ J \cdot s)$.
તેથી,લઘુત્તમ આવૃત્તિ $f = \frac{E_g}{h}$ થશે.
$f = \frac{3.2 \times 10^{-19}}{6.626 \times 10^{-34}} \approx 0.4829 \times 10^{15} \ Hz$.
$f \approx 4.83 \times 10^{14} \ Hz$.
આપેલા વિકલ્પો મુજબ નજીકની કિંમત $f \approx 5 \times 10^{14} \ Hz$ છે.

(C) વેલેન્સ બેન્ડમાંથી કન્ડક્શન બેન્ડમાં ઇલેક્ટ્રોનને ઉત્તેજિત કરવા માટે આપાત ફોટોનની ઉર્જા ઓછામાં ઓછી બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $(E_g)$ જેટલી હોવી જોઈએ.
$E_g = \frac{hc}{\lambda}$
આપેલ છે:
$h = 6.63 \times 10^{-34} \; J \cdot s$
$c = 3 \times 10^8 \; m/s$
$\lambda = 2480 \times 10^{-9} \; m$
$1 \; eV = 1.6 \times 10^{-19} \; J$
કિંમતો મૂકતા:
$E_g = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{2480 \times 10^{-9}} \; J$
$eV$ માં રૂપાંતરિત કરવા માટે,$1.6 \times 10^{-19}$ વડે ભાગતા:
$E_g = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{2480 \times 10^{-9} \times 1.6 \times 10^{-19}} \; eV$
$E_g \approx 0.5 \; eV$

(A) બૅન્ડગેપ ઊર્જા $E_g = 2.5 \ eV$ આપેલ છે.
ફોટોનને પારખવા માટે,આપાત ફોટોનની ઊર્જા $E = \frac{hc}{\lambda}$ એ બૅન્ડગેપ $E_g$ કરતા વધારે અથવા તેના જેટલી હોવી જોઈએ.
પ્રથમ,$E_g$ ને અનુરૂપ થ્રેશોલ્ડ તરંગલંબાઈ $\lambda_{max}$ ની ગણતરી કરીએ:
$\lambda_{max} = \frac{hc}{E_g} = \frac{12400 \ eV \cdot \mathring{A}}{2.5 \ eV} = 4960 \ \mathring{A}$.
ફોટો-ડાયોડ ફક્ત થ્રેશોલ્ડ તરંગલંબાઈ કરતા ઓછી અથવા તેના જેટલી તરંગલંબાઈ $(\lambda \leq \lambda_{max})$ ને જ પારખી શકે છે,તેથી તે $4960 \ \mathring{A}$ સુધીની તરંગલંબાઈને પારખી શકે છે.
આથી,તે $4000 \ \mathring{A}$ તરંગલંબાઈને પારખી શકશે.

(B) $Vidicon$ એ એક પ્રકારની વિડિયો કેમેરા ટ્યુબ છે જે ફોટોકન્ડક્ટિવિટી (ફોટોસંવેદીતા) ના સિદ્ધાંત પર કાર્ય કરે છે.
તેમાં ફોટોકન્ડક્ટિવ ટાર્ગેટનો ઉપયોગ થાય છે જે પ્રકાશના સંપર્કમાં આવતા તેની વિદ્યુત અવરોધકતા બદલે છે.
ઇલેક્ટ્રોન બીમ ટાર્ગેટને સ્કેન કરે છે,અને વાહકતામાં થતો ફેરફાર છબીને અનુરૂપ વિદ્યુતભારની પેટર્ન બનાવે છે,જે ત્યારબાદ વિદ્યુત સંકેતમાં રૂપાંતરિત થાય છે.

(D) બેન્ડ ગેપમાંથી ઇલેક્ટ્રોનને ઉત્તેજિત કરવા માટે જરૂરી ફોટોનની ઊર્જા $E = h\nu$ દ્વારા આપવામાં આવે છે.
લઘુત્તમ આવૃત્તિ $\nu$ માટે,ફોટોનની ઊર્જા બેન્ડ ગેપ ઊર્જા $E_g$ જેટલી હોવી જોઈએ.
આપેલ છે કે $E_g = 2.0\, eV$.
આપણે જાણીએ છીએ કે $1\, eV = 1.6 \times 10^{-19}\, J$,તેથી $E_g = 2.0 \times 1.6 \times 10^{-19} = 3.2 \times 10^{-19}\, J$.
$E = h\nu$ સંબંધનો ઉપયોગ કરતા,આપણને મળે છે $\nu = \frac{E_g}{h}$.
$h = 6.63 \times 10^{-34}\, J\cdot s$ કિંમત મૂકતા:
$\nu = \frac{3.2 \times 10^{-19}}{6.63 \times 10^{-34}} \approx 0.482 \times 10^{15}\, Hz$.
$\nu \approx 4.82 \times 10^{14}\, Hz$.
આ કિંમતને રાઉન્ડ ઓફ કરતા,આપણને $\nu \approx 5 \times 10^{14}\, Hz$ મળે છે.

(C) બેન્ડ ગેપને પાર કરવા માટે જરૂરી ફોટોનની ઉર્જા $E_g = 2.5 \, eV$ છે.
ફોટોડાયોડ સિગ્નલ શોધી શકે તે માટે,આપાત ફોટોનની ઉર્જા $(E = \frac{hc}{\lambda})$ એ બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $(E_g)$ કરતા વધારે અથવા તેના જેટલી હોવી જોઈએ.
તેથી,$\frac{12400 \, eV \cdot \mathring{A}}{\lambda} \geq 2.5 \, eV$.
થ્રેશોલ્ડ તરંગલંબાઇની ગણતરી કરતા,$\lambda_{max} = \frac{12400}{2.5} \, \mathring{A} = 4960 \, \mathring{A}$.
$4960 \, \mathring{A}$ કરતા ઓછી અથવા તેના જેટલી તરંગલંબાઇ ધરાવતો કોઈપણ સિગ્નલ શોધી શકાય છે.
આપેલા વિકલ્પોમાંથી,$4000 \, \mathring{A}$ એ એકમાત્ર તરંગલંબાઇ છે જે $4960 \, \mathring{A}$ કરતા નાની છે.

(A) આલેખમાં દર્શાવેલ $V-I$ લાક્ષણિકતા વક્ર સોલર સેલની લાક્ષણિકતા છે.
આ આલેખમાં,$V$-અક્ષ વોલ્ટેજ દર્શાવે છે અને $I$-અક્ષ કરંટ દર્શાવે છે.
બિંદુ $A$ એ $V$-અક્ષ પર આવેલું છે જ્યાં કરંટ $I = 0$ છે,જે ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ $(V_{OC})$ ને અનુરૂપ છે.
બિંદુ $B$ એ $I$-અક્ષ પર આવેલું છે જ્યાં વોલ્ટેજ $V = 0$ છે,જે શોર્ટ સર્કિટ કરંટ $(I_{SC})$ ને અનુરૂપ છે.
તેથી,આ આલેખ સોલર સેલની $V-I$ લાક્ષણિકતા દર્શાવે છે જ્યાં $A$ એ ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ છે અને $B$ એ શોર્ટ સર્કિટ કરંટ છે.

(A) વિદ્યુતચુંબકીય તરંગની સરેરાશ ઉર્જા ઘનતા $U_{av} = \frac{1}{2} \varepsilon_{0} E_{0}^{2}$ દ્વારા આપવામાં આવે છે,જ્યાં $E_{0}$ એ વિદ્યુતક્ષેત્રનો કંપવિસ્તાર છે.
બિંદુ સ્ત્રોતથી $r$ અંતરે તીવ્રતા $I = \frac{P}{4 \pi r^{2}}$ છે.
વળી,તીવ્રતા અને ઉર્જા ઘનતા વચ્ચેનો સંબંધ $I = U_{av} \times c$ છે,જ્યાં $c$ એ પ્રકાશની ગતિ છે.
તીવ્રતા માટેના બંને સમીકરણોને સરખાવતા: $\frac{P}{4 \pi r^{2}} = \frac{1}{2} \varepsilon_{0} E_{0}^{2} c$.
$E_{0}^{2}$ માટે સૂત્ર બનાવતા: $E_{0}^{2} = \frac{2P}{4 \pi r^{2} \varepsilon_{0} c} = \frac{2P}{r^{2}} \times \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \times \frac{1}{c}$.
આપેલ છે કે $P = 0.1 \ W$,$r = 1 \ m$,$\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} = 9 \times 10^{9} \ N \ m^{2} \ C^{-2}$,અને $c = 3 \times 10^{8} \ m/s$.
$E_{0}^{2} = \frac{2 \times 0.1}{1^{2}} \times (9 \times 10^{9}) \times \frac{1}{3 \times 10^{8}} = 0.2 \times 3 \times 10 = 6$.
$E_{0} = \sqrt{6} \approx 2.45 \ V \ m^{-1}$.

(B) $LED$ એ ફોરવર્ડ બાયસમાં જોડાયેલ $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જેમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર થતા પ્રકાશનું ઉત્સર્જન કરે છે. ઉત્સર્જિત ફોટોનની ઊર્જા $E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$ દ્વારા આપવામાં આવે છે. અહીં $E = eV$ હોવાથી,જ્યાં $V$ એ થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ છે,આપણને $eV = \frac{hc}{\lambda}$ મળે છે,જેનો અર્થ છે કે $V \propto \frac{1}{\lambda}$. આવૃત્તિ $\nu$ અને તરંગલંબાઈ $\lambda$ વચ્ચેનો સંબંધ $\nu = \frac{c}{\lambda}$ હોવાથી,$V \propto \nu$ થાય છે. તેથી,ઊંચી આવૃત્તિ ધરાવતા પ્રકાશ (જેમ કે વાદળી) માટે નીચી આવૃત્તિ ધરાવતા પ્રકાશ (જેમ કે લાલ) કરતા વધુ થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજની જરૂર પડે છે. આમ,આપેલ વિદ્યુતપ્રવાહ માટે,જરૂરી વોલ્ટેજ $R < Y < G < B$ ના ક્રમમાં વધે છે. જે આલેખમાં ફોરવર્ડ બાયસ લાક્ષણિકતા દર્શાવેલ છે અને જેમાં થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ આવૃત્તિ સાથે વધે છે,તે સાચો જવાબ છે.

(A) ફોટોડાયોડ એ એક ખાસ પ્રકારનો $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે પારદર્શક વિન્ડો સાથે બનાવવામાં આવે છે જેથી પ્રકાશ ડાયોડ પર પડી શકે. તે રિવર્સ બાયસ હેઠળ કાર્ય કરે છે.
જ્યારે ફોટોડાયોડને પ્રકાશ ($h
u > E_g$ ઉર્જા ધરાવતા ફોટોન) સાથે પ્રકાશિત કરવામાં આવે છે,ત્યારે વધારાની ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે.
રિવર્સ બાયસમાં,કરંટ મુખ્યત્વે માઇનોરિટી કેરિયર્સને કારણે હોય છે. ફોટો-ઇફેક્ટને કારણે આ નાના રિવર્સ કરંટમાં થતો આંશિક ફેરફાર નોંધપાત્ર અને સરળતાથી માપી શકાય તેવો હોય છે.
તેનાથી વિપરીત,ફોરવર્ડ બાયસ કરંટ મેજોરિટી કેરિયર્સ દ્વારા પ્રભુત્વ ધરાવે છે,જે પહેલેથી જ મોટી સંખ્યામાં હાજર હોય છે. ફોરવર્ડ બાયસમાં ફોટો-ઇફેક્ટને કારણે થતો આંશિક ફેરફાર ખૂબ જ નાનો હોય છે અને તેને શોધવો મુશ્કેલ છે.
આમ,બંને વિધાનો સાચા છે,અને વિધાન $-II$ એ સમજાવે છે કે શા માટે ફોટોડાયોડને રિવર્સ બાયસમાં ચલાવવામાં આવે છે.

(A) ફોટોડાયોડ એ એક ખાસ પ્રકારનો $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે પારદર્શક વિન્ડો સાથે બનાવવામાં આવે છે જેથી પ્રકાશ ડાયોડ પર પડી શકે. તે રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં કાર્ય કરે છે.
જ્યારે ફોટોડાયોડ પર પ્રકાશ ($h
u > E_g$ ઉર્જા ધરાવતા ફોટોન) પડે છે,ત્યારે ડિપ્લેશન રિજનની નજીક ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે. ડિપ્લેશન રિજનના વિદ્યુતક્ષેત્રને કારણે,ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ પુનઃસંયોજન પામે તે પહેલાં અલગ થઈ જાય છે. વિદ્યુતક્ષેત્રની દિશા એવી હોય છે કે ઇલેક્ટ્રોન $n$-બાજુએ અને હોલ $p$-બાજુએ પહોંચે છે,જેનાથી વિદ્યુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે.
$p-n$ જંકશનમાં રિવર્સ બાયસ પ્રવાહ મુખ્યત્વે માઇનોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સને કારણે હોય છે. આ પ્રવાહનું મૂલ્ય ખૂબ જ ઓછું હોય છે. જ્યારે જંકશન પર પ્રકાશ પડે છે,ત્યારે માઇનોરિટી કેરિયર્સની સંખ્યામાં નોંધપાત્ર વધારો થાય છે,જેનાથી રિવર્સ પ્રવાહમાં મોટો આંશિક ફેરફાર થાય છે. તેનાથી વિપરીત,ફોરવર્ડ બાયસ પ્રવાહ મેજોરિટી કેરિયર્સ દ્વારા પ્રભુત્વ ધરાવે છે,જે પહેલેથી જ મોટી સંખ્યામાં હાજર હોય છે. તેથી,પ્રકાશને કારણે ફોરવર્ડ પ્રવાહમાં થતો આંશિક ફેરફાર નગણ્ય હોય છે અને માપવો મુશ્કેલ છે.
આમ,વિધાન $-1$ સાચું છે,વિધાન $-2$ સાચું છે,અને વિધાન $-2$ એ વિધાન $-1$ ની સાચી સમજૂતી છે.

(B) જ્યારે $8 \ V$ નો ધન વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવે છે,ત્યારે લીલો $LED$ ફોરવર્ડ-બાયસ થાય છે અને તેમાંથી પ્રવાહ વહે છે,જ્યારે લાલ $LED$ રિવર્સ-બાયસ થાય છે.
પરિપથમાંથી વહેતો પ્રવાહ $I$ ઓહ્મના નિયમ દ્વારા મળે છે:
$I = \frac{V_{source} - V_{LED}}{R}$
અહીં $I = 20 \ mA = 20 \times 10^{-3} \ A$,$V_{source} = 8 \ V$,અને $V_{LED} = 2 \ V$ આપેલ છે:
$20 \times 10^{-3} = \frac{8 - 2}{R}$
$R = \frac{6 \ V}{20 \times 10^{-3} \ A} = \frac{6000}{20} \ \Omega = 300 \ \Omega$
લાલ $LED$ પરનો રિવર્સ વોલ્ટેજ $2 \ V$ છે,જે તેના રિવર્સ બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ $3 \ V$ કરતા ઓછો હોવાથી તે સુરક્ષિત છે.

(D) $LED$ દ્વારા ઉત્સર્જિત ફોટોનની ઉર્જા અર્ધવાહક પદાર્થના એનર્જી બેન્ડ ગેપ $E_g$ જેટલી હોય છે.
ઉર્જા અને તરંગલંબાઇ વચ્ચેનો સંબંધ $E_g = \frac{hc}{\lambda}$ દ્વારા આપવામાં આવે છે.
દ્રશ્યમાન પ્રકાશના વર્ણપટની તરંગલંબાઇ આશરે $400 \, nm$ થી $700 \, nm$ ($4 \times 10^{-7} \, m$ થી $7 \times 10^{-7} \, m$) ની વચ્ચે હોય છે.
જ્યારે $\lambda = 700 \, nm$ $(7 \times 10^{-7} \, m)$ હોય ત્યારે:
$E_g = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{7 \times 10^{-7}} \approx 1.77 \, eV$.
જ્યારે $\lambda = 400 \, nm$ $(4 \times 10^{-7} \, m)$ હોય ત્યારે:
$E_g = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{4 \times 10^{-7}} \approx 3.1 \, eV$.
આમ,$LED$ દ્રશ્યમાન પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે તે માટે એનર્જી બેન્ડ ગેપ $1.7 \, eV$ થી $3.0 \, eV$ ની રેન્જમાં હોવો જોઈએ.

(B) ફોટો સેલ (અથવા ફોટોડાયોડ) ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસરના સિદ્ધાંત પર કાર્ય કરે છે. જ્યારે પ્રકાશ ફોટોસેન્સિટિવ સપાટી પર પડે છે,ત્યારે તે ઇલેક્ટ્રોનનું ઉત્સર્જન કરે છે. ઉત્સર્જિત ફોટોઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા આપાત પ્રકાશની તીવ્રતાના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે. ફોટોકરંટ માપીને,આપણે પ્રકાશની તીવ્રતા નક્કી કરી શકીએ છીએ. તેથી,ફોટો સેલનો ઉપયોગ પ્રકાશની તીવ્રતા માપવા માટે થાય છે.

(A) $LED$ ને અવરોધ $R$ અને $6\,V$ ની બેટરી સાથે શ્રેણીમાં જોડવામાં આવે છે.
$LED$ અને અવરોધ શ્રેણીમાં હોવાથી,બંનેમાંથી વહેતો પ્રવાહ સમાન છે,$I = 10\,mA = 10 \times 10^{-3}\,A$.
$LED$ ની આસપાસનો વોલ્ટેજ ડ્રોપ $V_{LED} = 2\,V$ છે.
બેટરીનો કુલ વોલ્ટેજ $V = 6\,V$ છે.
કિર્ચોફના વોલ્ટેજ નિયમ મુજબ,અવરોધ $R$ ની આસપાસનો વોલ્ટેજ ડ્રોપ $V_R = V - V_{LED} = 6\,V - 2\,V = 4\,V$ થશે.
ઓહ્મના નિયમનો ઉપયોગ કરતા,$V_R = I \times R$,તેથી $R = \frac{V_R}{I}$.
કિંમતો મૂકતા: $R = \frac{4\,V}{10 \times 10^{-3}\,A} = 0.4 \times 10^3\,\Omega = 400\,\Omega$.
$1\,k\Omega = 1000\,\Omega$ હોવાથી,$400\,\Omega = 0.4\,k\Omega$ થાય.

(C) પ્રકાશની તીવ્રતા શોધવા માટે આપણે રિવર્સ બાયસમાં ફોટોડાયોડનો ઉપયોગ કરીએ છીએ.
જ્યારે ફોટોડાયોડ રિવર્સ બાયસમાં હોય છે,ત્યારે ફોરવર્ડ બાયસની તુલનામાં ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ વધે છે અને ડાયોડમાંથી નાનો રિવર્સ પ્રવાહ (ડાર્ક કરંટ) વહે છે.
જ્યારે જંકશન પર પ્રકાશ આપાત થાય છે,ત્યારે ડેપ્લેશન લેયરની પહોળાઈ વધુ હોવાને કારણે તેમાં મોટી સંખ્યામાં ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે. આ ચાર્જ કેરિયર્સ સરળતાથી બેરિયરને ઓળંગી શકે છે,જે ડાયોડમાં પ્રવાહમાં ફાળો આપે છે.
તેથી,રિવર્સ બાયસમાં,ડાયોડ આપાત પ્રકાશને પ્રવાહમાં વધુ અસરકારક રીતે રૂપાંતરિત કરે છે,કારણ કે ડેપ્લેશન લેયર પહોળું હોય છે,જે ફોરવર્ડ બાયસ પ્રવાહની તુલનામાં ફોટોકરંટને નોંધપાત્ર બનાવે છે.

(A) લાઈટ એમિટિંગ ડાયોડ $(LED)$ એ ફોરવર્ડ બાયસ્ડ $P-N$ જંકશન છે જે પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે છે.
$LED$ પરનો વોલ્ટેજ ડ્રોપ $V_{LED} = 2\,V$ છે.
બેટરીનો વોલ્ટેજ $V_{battery} = 6\,V$ છે.
લિમિટિંગ રઝિસ્ટર $R$ પરનો વોલ્ટેજ $V_R = V_{battery} - V_{LED} = 6\,V - 2\,V = 4\,V$ થશે.
પરિપથમાં વહેતો પ્રવાહ $I = 10\,mA = 10 \times 10^{-3}\,A = 0.01\,A$ છે.
ઓમના નિયમ મુજબ,$V_R = I \times R$,તેથી $R = V_R / I$.
$R = 4\,V / 0.01\,A = 400\,\Omega$.
$1\,k\Omega = 1000\,\Omega$ હોવાથી,$R = 400 / 1000 = 0.4\,k\Omega$ મળે.

(C) $1$. ફોટોડાયોડ ઓપ્ટિકલ સિગ્નલ શોધવા માટે રિવર્સ બાયસમાં કાર્ય કરે છે. તેથી,વિકલ્પ $A$ ખોટો છે.
$2$. $LED$ (લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ) પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરવા માટે ફોરવર્ડ બાયસમાં કાર્ય કરે છે. તેથી,વિકલ્પ $B$ ખોટો છે.
$3$. $GaAs$ (ગેલિયમ આર્સેનાઇડ) નો બેન્ડ ગેપ આશરે $1.5 \ eV$ છે,જે $Si$ $(1.1 \ eV)$ ની સરખામણીમાં સૌર ઉર્જા રૂપાંતરણ માટે આદર્શ છે. તેનો શોષણ ગુણાંક પણ વધારે છે. તેથી,વિકલ્પ $C$ સાચો છે.
$4$. ઝેનર ડાયોડનું ડોપિંગ ખૂબ વધારે હોય છે જેથી તે ચોક્કસ બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ પર કાર્ય કરી શકે. તેથી,વિકલ્પ $D$ ખોટો છે.

(D) બેન્ડ ગેપમાં ઇલેક્ટ્રોનને ઉત્તેજિત કરવા માટે જરૂરી ફોટોનની ઉર્જા $E = h\nu$ દ્વારા આપવામાં આવે છે,જ્યાં $E$ એ બેન્ડ ગેપ ઉર્જા છે,$h$ એ પ્લાન્કનો અચળાંક છે અને $\nu$ એ આવૃત્તિ છે.
આપેલ છે,$E = 2.0\, eV = 2.0 \times 1.6 \times 10^{-19}\, J = 3.2 \times 10^{-19}\, J$.
પ્લાન્કનો અચળાંક $h \approx 6.63 \times 10^{-34}\, J\cdot s$.
લઘુત્તમ આવૃત્તિ $\nu = E / h$ દ્વારા મળે છે.
$\nu = (3.2 \times 10^{-19}) / (6.63 \times 10^{-34}) \approx 0.4826 \times 10^{15}\, Hz$.
$\nu \approx 4.83 \times 10^{14}\, Hz$.
નજીકના વિકલ્પ મુજબ,$\nu \approx 5 \times 10^{14}\, Hz$ મળે છે.

(B) સોલર સેલ એ અર્ધવાહક ઉપકરણો છે જે ફોટોવોલ્ટેઇક અસર દ્વારા પ્રકાશ ઊર્જાને સીધી વિદ્યુત ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરે છે. જોકે સૂર્યનું વિકિરણ વિશાળ વર્ણપટ ધરાવે છે,સિલિકોન-આધારિત સોલર સેલની કાર્યક્ષમતા સૂર્યના વર્ણપટના દ્રશ્ય અને નજીકના ઇન્ફ્રારેડ પ્રદેશો માટે સૌથી વધુ હોય છે. ખાસ કરીને,ઇન્ફ્રારેડ તરંગો સોલર ટેકનોલોજીમાં થર્મલ અને ઊર્જા રૂપાંતરણ પ્રક્રિયાઓમાં નોંધપાત્ર ફાળો આપે છે. તેથી,આપેલા વિકલ્પોમાંથી વિકલ્પ $(b)$ સૌથી યોગ્ય છે.

(A) ઉત્સર્જિત પ્રકાશની તરંગલંબાઇ $\lambda$ નીચેના સંબંધ દ્વારા આપવામાં આવે છે:
$\lambda = \frac{hc}{E_g}$
જ્યાં $h = 6.63 \times 10^{-34} \, J \cdot s$ એ પ્લાન્કનો અચળાંક છે,$c = 3 \times 10^8 \, m/s$ એ પ્રકાશની ગતિ છે,અને $E_g$ એ એનર્જી ગેપ છે.
આપેલ છે કે $E_g = 1.9 \, eV = 1.9 \times 1.6 \times 10^{-19} \, J$.
કિંમતો મૂકતા:
$\lambda = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{1.9 \times 1.6 \times 10^{-19}} \, m$
$\lambda \approx \frac{19.89 \times 10^{-26}}{3.04 \times 10^{-19}} \, m$
$\lambda \approx 6.54 \times 10^{-7} \, m$
$\lambda \approx 654 \times 10^{-9} \, m = 654 \, nm$.
આપેલા વિકલ્પોની નજીકની કિંમત જોતા,તરંગલંબાઇ $650 \, nm$ મળે છે.

(A) ફોટો-ડાયોડ એ રિવર્સ બાયસ ધરાવતો $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે. $p-n$ જંકશન પર એક જંકશન વિદ્યુતક્ષેત્ર અસ્તિત્વ ધરાવે છે,જે સંતુલન સ્થિતિમાં ચાર્જ કેરિયર્સને જંકશનની આરપાર વહેવા દેતું નથી.
જ્યારે આવા $p-n$ ડાયોડને $h
u > E_{g}$ ઉર્જા ધરાવતા પ્રકાશના ફોટોન દ્વારા પ્રકાશિત કરવામાં આવે છે,ત્યારે ડિપ્લેશન લેયરમાં (અથવા જંકશનની નજીક) ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે. આ ચાર્જ કેરિયર્સ જંકશન ફિલ્ડ દ્વારા અલગ પડે છે અને જંકશનની આરપાર વહે છે,જેના પરિણામે રિવર્સ સેચ્યુરેશન કરંટમાં ફેરફાર થાય છે.
કારણ કે રિવર્સ કરંટ આ ફોટો-ઉત્તેજિત કેરિયર્સના નિર્માણ પ્રત્યે અત્યંત સંવેદનશીલ હોય છે,તેથી કરંટમાં થતો ફેરફાર સીધો આપાત પ્રકાશની તીવ્રતાના પ્રમાણમાં હોય છે. આમ,આ ઉપકરણ ફોટો-ડિટેક્ટર તરીકે કાર્ય કરે છે.

(A) ડાયોડ લેસરનો ઉપયોગ ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશનમાં વ્યાપકપણે થાય છે કારણ કે તે કદમાં નાના,ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા ધરાવતા અને ઉચ્ચ આવૃત્તિ પર સરળતાથી મોડ્યુલેટ કરી શકાય તેવા હોય છે.
તેઓ ગેસ લેસર અથવા ઇન્કેન્ડેસન્ટ બલ્બ જેવા અન્ય પ્રકાશ સ્ત્રોતોની તુલનામાં ઘણી ઓછી ઉર્જા વાપરે છે.
ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા અને ઓછી ઉર્જાનો વપરાશ એ ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશનમાં તેમની પસંદગીના મુખ્ય કારણો હોવાથી,કારણ એ વિધાનની સાચી સમજૂતી આપે છે.

(B) ઉત્સર્જિત ફોટોનની ઉર્જા $E = \frac{hc}{\lambda}$ દ્વારા આપવામાં આવે છે.
આપેલ એનર્જી ગેપ $E_g = 1.9\; eV$ છે.
તરંગલંબાઇ $\lambda$ ની ગણતરી $\lambda = \frac{hc}{E_g}$ સૂત્રનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે.
$hc \approx 1240\; eV \cdot nm$ ના અંદાજનો ઉપયોગ કરતા,આપણને મળે છે:
$\lambda = \frac{1240\; eV \cdot nm}{1.9\; eV} \approx 652.6\; nm$.
આપેલા વિકલ્પો મુજબ નજીકની કિંમત લેતા,$\lambda \approx 654\; nm$ મળે છે.

(N/A) પરિવાર દ્વારા વપરાતો પાવર, $P = 8 \; kW = 8 \times 10^{3} \; W$.
પ્રતિ ચોરસ મીટર મળતી સૌર ઊર્જા $= 200 \; W/m^{2}$.
સૌર ઊર્જામાંથી વિદ્યુત ઊર્જામાં રૂપાંતરણની કાર્યક્ષમતા $= 20 \% = 0.2$.
ધારો કે જરૂરી વિદ્યુત ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી ક્ષેત્રફળ $A$ છે.
ઉત્પન્ન થતો ઉપયોગી પાવર નીચે મુજબ છે: $P = \text{કાર્યક્ષમતા} \times \text{ક્ષેત્રફળ} \times \text{આપાત સૌર ઊર્જાનો દર}$.
$8 \times 10^{3} = 0.2 \times A \times 200$.
$8000 = 40 \times A$.
$A = \frac{8000}{40} = 200 \; m^{2}$.
$(b)$ $8 \; kW$ વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી સોલર પેનલનું ક્ષેત્રફળ $200 \; m^{2}$ છે. એક સામાન્ય ઘરની છતનું માપ આશરે $14 \; m \times 14 \; m = 196 \; m^{2}$ હોય છે. આમ, જરૂરી ક્ષેત્રફળ સામાન્ય ઘરની છતના ક્ષેત્રફળની લગભગ બરાબર છે.

(N/A) $n$-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટરના કિસ્સાનો વિચાર કરો. સ્વાભાવિક રીતે,મેજોરિટી કેરિયર ઘનતા $(n)$ એ માઈનોરિટી હોલ ઘનતા $(p)$ કરતા ઘણી વધારે હોય છે (એટલે કે,$n \gg p$). પ્રકાશ આપાત થતા,ઉત્પન્ન થયેલા વધારાના ઈલેક્ટ્રોન અને હોલને અનુક્રમે $\Delta n$ અને $\Delta p$ ધારો:
$n^{\prime} = n + \Delta n$
$p^{\prime} = p + \Delta p$
અહીં,$n^{\prime}$ અને $p^{\prime}$ એ કોઈપણ ચોક્કસ પ્રકાશની સ્થિતિમાં ઈલેક્ટ્રોન અને હોલની સાંદ્રતા છે,અને $n$ અને $p$ એ જ્યારે પ્રકાશ ન હોય ત્યારે કેરિયરની સાંદ્રતા છે. યાદ રાખો કે $\Delta n = \Delta p$ અને $n \gg p$.
તેથી,મેજોરિટી કેરિયરમાં થતો આંશિક ફેરફાર (એટલે કે,$\Delta n / n$) એ માઈનોરિટી કેરિયરમાં થતા ફેરફાર (એટલે કે,$\Delta p / p$) કરતા ઘણો ઓછો હશે. સામાન્ય રીતે,આપણે કહી શકીએ કે માઈનોરિટી કેરિયર દ્વારા પ્રભુત્વ ધરાવતા રિવર્સ બાયસ પ્રવાહ પર ફોટો-અસરોને કારણે થતો આંશિક ફેરફાર,ફોરવર્ડ બાયસ પ્રવાહમાં થતા ફેરફાર કરતા વધુ સરળતાથી માપી શકાય છે. તેથી,પ્રકાશની તીવ્રતા માપવા માટે ફોટોડાયોડનો ઉપયોગ રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં કરવામાં આવે છે.

(N/A) આપણને મળતા સૌર વિકિરણનો વર્ણપટ આકૃતિમાં દર્શાવેલ છે.
મહત્તમ મૂલ્ય $1.5 \, eV$ ની નજીક છે. ફોટો-એક્સાઇટેશન માટે,$h\nu > E_g$ હોવું જરૂરી છે. તેથી,$1.5 \, eV$ કે તેથી ઓછી બેન્ડ ગેપ ધરાવતું સેમિકન્ડક્ટર વધુ સારી સૌર રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતા આપી શકે છે. સિલિકોન $(Si)$ માટે $E_g \sim 1.1 \, eV$ છે,જ્યારે $GaAs$ માટે તે $1.53 \, eV$ છે.
વાસ્તવમાં,$GaAs$ એ $Si$ કરતા વધુ સારું છે (તેની ઊંચી બેન્ડ ગેપ હોવા છતાં) કારણ કે તેનો શોષણ ગુણાંક પ્રમાણમાં વધારે છે. જો આપણે $CdS$ અથવા $CdSe$ $(E_g \sim 2.4 \, eV)$ જેવા પદાર્થો પસંદ કરીએ,તો આપણે ફોટો-રૂપાંતરણ માટે સૌર ઉર્જાના માત્ર ઉચ્ચ-ઉર્જા ઘટકનો જ ઉપયોગ કરી શકીએ છીએ અને ઉર્જાનો નોંધપાત્ર ભાગ નકામો જશે.
પ્રશ્ન એ થાય છે કે: આપણે $PbS$ $(E_g \sim 0.4 \, eV)$ જેવા પદાર્થનો ઉપયોગ કેમ નથી કરતા જે સૌર વિકિરણ વર્ણપટના મહત્તમ $\nu$ માટે $h\nu > E_g$ ની શરત સંતોષે છે? જો આપણે તેમ કરીએ,તો મોટાભાગનું સૌર વિકિરણ સોલર સેલના ઉપરના સ્તર પર શોષાઈ જશે અને ડેપ્લેશન વિસ્તારમાં કે તેની નજીક પહોંચશે નહીં. જંકશન ફિલ્ડને કારણે ઇલેક્ટ્રોન-હોલના અસરકારક અલગીકરણ માટે,આપણે ઇચ્છીએ છીએ કે ફોટો-જનરેશન ફક્ત જંકશન વિસ્તારમાં જ થાય.

(NO) આપેલ ફોટોડાયોડનો એનર્જી બેન્ડ ગેપ $E_g = 2.8 \; eV$ છે.
આપેલ પ્રકાશની તરંગલંબાઇ $\lambda = 6000 \; nm = 6000 \times 10^{-9} \; m$ છે.
ફોટોનની ઉર્જા $E = \frac{hc}{\lambda}$ સંબંધ દ્વારા આપવામાં આવે છે.
$h = 6.626 \times 10^{-34} \; Js$ અને $c = 3 \times 10^8 \; m/s$ નો ઉપયોગ કરતા:
$E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{6000 \times 10^{-9}} \; J = 3.313 \times 10^{-20} \; J$.
આ ઉર્જાને ઇલેક્ટ્રોન-વોલ્ટ $(eV)$ માં રૂપાંતરિત કરતા:
$E = \frac{3.313 \times 10^{-20}}{1.6 \times 10^{-19}} \; eV \approx 0.207 \; eV$.
અહીં આપાત ફોટોનની ઉર્જા $(0.207 \; eV)$ એ ફોટોડાયોડના બેન્ડ ગેપ $(2.8 \; eV)$ કરતા ઓછી હોવાથી,ફોટોડાયોડ $6000 \; nm$ તરંગલંબાઇના સિગ્નલને શોધી શકશે નહીં.

(N/A) ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો એ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો છે જે પ્રકાશની સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી સાથેની આંતરક્રિયાને આધારે પ્રકાશ ઉર્જાનું વિદ્યુત ઉર્જામાં અથવા તેનાથી ઉલટું રૂપાંતર કરે છે.
મુખ્ય ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો નીચે મુજબ છે:
$(1)$ ફોટોડાયોડ: આનો ઉપયોગ ઓપ્ટિકલ સિગ્નલો શોધવા માટે થાય છે (ફોટોડિટેક્ટર્સ).
$(2)$ લાઈટ એમિટિંગ ડાયોડ $(LED)$: આ ઉપકરણો વિદ્યુત ઉર્જાનું પ્રકાશ ઉર્જામાં રૂપાંતર કરે છે.
$(3)$ ફોટોવોલ્ટેઇક ઉપકરણો: આ ઓપ્ટિકલ રેડિયેશનનું વીજળીમાં રૂપાંતર કરે છે (દા.ત.,સોલર સેલ).

(N/A) ફોટોડાયોડ એ ખાસ હેતુ માટેનો $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે.
તેને પારદર્શક વિન્ડો સાથે બનાવવામાં આવે છે જેથી પ્રકાશ ડાયોડ પર પડી શકે.
જ્યારે ફોટોડાયોડને સેમિકન્ડક્ટરના એનર્જી ગેપ $(E_g)$ કરતા વધારે ઉર્જા $(h\nu)$ ધરાવતા પ્રકાશ (ફોટોન) વડે પ્રકાશિત કરવામાં આવે છે,ત્યારે ફોટોનના શોષણને કારણે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ $(e-h)$ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે.
રિવર્સ બાયસમાં રહેલા પ્રકાશિત ફોટોડાયોડને આકૃતિમાં દર્શાવેલ છે.
ડાયોડ એવી રીતે બનાવવામાં આવે છે કે જેથી $(e-h)$ જોડીઓનું નિર્માણ ડાયોડના ડેપ્લેશન વિસ્તારમાં અથવા તેની નજીક થાય.
જંકશનના વિદ્યુતક્ષેત્રને કારણે,ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ પુનઃસંયોજન પામે તે પહેલાં અલગ થઈ જાય છે.
વિદ્યુતક્ષેત્રની દિશા એવી હોય છે કે ઇલેક્ટ્રોન $n$-બાજુએ અને હોલ $p$-બાજુએ પહોંચે છે.
ઇલેક્ટ્રોન $n$-બાજુએ અને હોલ $p$-બાજુએ એકઠા થાય છે,જેનાથી ઇલેક્ટ્રોમોટિવ ફોર્સ $(emf)$ ઉત્પન્ન થાય છે. જ્યારે બાહ્ય લોડ જોડવામાં આવે છે,ત્યારે પરિપથમાં વિદ્યુતપ્રવાહ વહે છે.
ફોટોકરંટનું મૂલ્ય આપાત પ્રકાશની તીવ્રતા પર આધાર રાખે છે; ફોટોકરંટ એ આપાત પ્રકાશની તીવ્રતાના સમપ્રમાણમાં હોય છે.
જ્યારે રિવર્સ બાયસ લાગુ કરવામાં આવે છે,ત્યારે પ્રકાશની તીવ્રતામાં ફેરફાર સાથે પ્રવાહમાં નોંધપાત્ર ફેરફાર થાય છે.

(N/A) રચના: $LED$ એ હેવીલી ડોપ્ડ (અતિશય અશુદ્ધિ ઉમેરેલ) $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે. તેને પારદર્શક કવરમાં પેક કરવામાં આવે છે જેથી ઉત્સર્જિત પ્રકાશ બહાર આવી શકે. તે ફોરવર્ડ બાયસ હેઠળ કાર્ય કરે છે.
કાર્યપદ્ધતિ: જ્યારે ડાયોડને ફોરવર્ડ બાયસ આપવામાં આવે છે,ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન $n$-વિસ્તારમાંથી $p$-વિસ્તારમાં અને હોલ $p$-વિસ્તારમાંથી $n$-વિસ્તારમાં દાખલ થાય છે. જંકશનની સીમા પાસે આ માઇનોરિટી કેરિયર્સની સાંદ્રતા વધે છે. આ વધારાના માઇનોરિટી કેરિયર્સ જંકશનની નજીક મેજોરિટી કેરિયર્સ સાથે પુનઃસંયોજન (recombination) પામે છે. આ પુનઃસંયોજન દરમિયાન,ફોટોનના સ્વરૂપમાં ઉર્જા મુક્ત થાય છે. ઉત્સર્જિત ફોટોનની ઉર્જા બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $(E_g)$ જેટલી અથવા તેનાથી થોડી ઓછી હોય છે. જેમ ફોરવર્ડ પ્રવાહ વધે છે,તેમ પ્રકાશની તીવ્રતા વધે છે,મહત્તમ સુધી પહોંચે છે અને ત્યારબાદ ગરમીની અસરને કારણે ઘટે છે.
ઉપયોગો: $LED$ નો ઉપયોગ રિમોટ કંટ્રોલ,ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન,ટ્રાફિક સિગ્નલ,સુશોભન લાઇટિંગ અને ડિસ્પ્લેમાં થાય છે.
ફાયદાઓ: $LED$ ઓછા વોલ્ટેજ પર કાર્ય કરે છે,ઝડપી પ્રતિભાવ આપે છે,ગરમ થવા માટે સમય લેતા નથી,લાંબુ આયુષ્ય ધરાવે છે,મજબૂત હોય છે અને વિવિધ રંગોમાં ઉપલબ્ધ છે.

(N/A) સોલર સેલ મૂળભૂત રીતે એક $p-n$ જંકશન છે જે જ્યારે તેના પર સૌર વિકિરણ પડે છે ત્યારે વિદ્યુતચાલક બળ $(emf)$ ઉત્પન્ન કરે છે। સોલર સેલ માટે માત્ર સૂર્યપ્રકાશ જ જરૂરી નથી, પરંતુ પ્રકાશના ફોટોનની ઉર્જા જે સેમિકન્ડક્ટરની બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $(E_{g})$ કરતા વધારે હોય તે પણ ફોટોવોલ્ટેજ ઉત્પન્ન કરી શકે છે। સોલર સેલની કાર્યપદ્ધતિ ફોટોવોલ્ટેઇક અસર પર આધારિત છે, જે ફોટોડાયોડ જેવી જ છે, પરંતુ તેમાં બાહ્ય બેટરીની જરૂર પડતી નથી।
રચના:
$1$. લગભગ $300 \mu m$ જાડાઈની $p-Si$ વેફર લેવામાં આવે છે।
$2$. એક બાજુ પર ડિફ્યુઝન પ્રક્રિયા દ્વારા $n-Si$ નું પાતળું સ્તર $(\, 0.3 \mu m)$ ઉગાડવામાં આવે છે, જેથી $p-n$ જંકશન બને છે।
$3$. $p-Si$ વેફરની નીચેની બાજુએ ધાતુનું પડ ચડાવવામાં આવે છે જે 'બેક કોન્ટેક્ટ' તરીકે કાર્ય કરે છે।
$4$. $n-Si$ સ્તરની ઉપરના ભાગમાં, ધાતુની ગ્રીડ (અથવા ફિંગર ઇલેક્ટ્રોડ) મૂકવામાં આવે છે જે 'ફ્રન્ટ કોન્ટેક્ટ' તરીકે કાર્ય કરે છે। આ ગ્રીડ સપાટીના ખૂબ જ નાના ભાગ $( < 15 \%)$ ને આવરી લે છે જેથી પ્રકાશ મહત્તમ રીતે અંદર પ્રવેશી શકે।
કાર્યપદ્ધતિ:
સોલર સેલ દ્વારા $emf$ નું નિર્માણ ત્રણ મૂળભૂત પ્રક્રિયાઓ દ્વારા થાય છે:
$(1)$ જંકશનની નજીક પ્રકાશના શોષણને કારણે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ $(e-h)$ જોડીઓનું નિર્માણ $(h\nu > E_{g})$।
$(2)$ ડેપ્લેશન રિજનના વિદ્યુતક્ષેત્રને કારણે ઇલેક્ટ્રોન અને હોલનું અલગ થવું। ઇલેક્ટ્રોન $n$-બાજુ તરફ અને હોલ $p$-બાજુ તરફ ધકેલાય છે।
$(3)$ ચાર્જનું એકત્રીકરણ: $n$-બાજુ પર પહોંચેલા ઇલેક્ટ્રોન ફ્રન્ટ કોન્ટેક્ટ દ્વારા અને $p$-બાજુ પર પહોંચેલા હોલ બેક કોન્ટેક્ટ દ્વારા એકત્રિત થાય છે। આથી $p$-બાજુ ધન અને $n$-બાજુ ઋણ બને છે, જેનાથી ફોટોવોલ્ટેજ ઉત્પન્ન થાય છે।
ઉપયોગ:
સોલર સેલનો ઉપયોગ કેલ્ક્યુલેટર, ઘડિયાળ, ઉપગ્રહો અને દૂરના વિસ્તારોમાં વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે થાય છે।

(N/A) $1.5 \text{ eV}$ ની નજીક બેન્ડ ગેપ ધરાવતા સેમિકન્ડક્ટર સોલર સેલના નિર્માણ માટે આદર્શ પદાર્થો છે.
આ પદાર્થો નીચે મુજબ છે:
$Si$ $(E_{g} = 1.1 \text{ eV})$,
$GaAs$ $(E_{g} = 1.43 \text{ eV})$,
$CdTe$ $(E_{g} = 1.45 \text{ eV})$,
$CuInSe_{2}$ $(E_{g} = 1.04 \text{ eV})$ વગેરે.
સોલર સેલના નિર્માણ માટે યોગ્ય પદાર્થો પસંદ કરવા માટેના મહત્વના માપદંડો નીચે મુજબ છે:
$(1)$ બેન્ડ ગેપ $E_{g}$ આશરે $1.0 \text{ eV}$ થી $1.8 \text{ eV}$ ની વચ્ચે હોવો જોઈએ.
$(2)$ ઉચ્ચ ઓપ્ટિકલ શોષણ (optical absorption),આશરે $10^{4} \text{ cm}^{-1}$.
$(3)$ વિદ્યુત વાહકતા ઊંચી હોવી જોઈએ.
$(4)$ કાચો માલ સરળતાથી ઉપલબ્ધ હોવો જોઈએ.
$(5)$ કિંમત ઓછી હોવી જોઈએ.

(D) $p-n$ જંકશન ડાયોડ જેને કાર્ય કરવા માટે ફોરવર્ડ બાયસની જરૂર પડતી નથી તે $Solar$ $Cell$ (સોલર સેલ) છે.
$Solar$ $Cell$ એ એક ફોટોવોલ્ટેઇક ઉપકરણ છે જે સૌર ઊર્જાનું સીધું વિદ્યુત ઊર્જામાં રૂપાંતર કરે છે.
$LED$ અથવા સામાન્ય ડાયોડથી વિપરીત,જેને કાર્ય કરવા માટે બાહ્ય વોલ્ટેજ સ્ત્રોત (ફોરવર્ડ બાયસ) ની જરૂર હોય છે,$Solar$ $Cell$ જ્યારે સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલની બેન્ડગેપ ઊર્જા કરતા વધારે ઊર્જા ધરાવતા પ્રકાશના ફોટોન જંકશન પર પડે છે ત્યારે ઇલેક્ટ્રોમોટિવ ફોર્સ $(EMF)$ ઉત્પન્ન કરે છે.
આ પ્રક્રિયાને ફોટોવોલ્ટેઇક અસર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

(C) $p-n$ જંકશન ડાયોડ કે જેને કાર્ય કરવા માટે કોઈ પણ બાહ્ય બાયસની જરૂર પડતી નથી તે $Solar \ Cell$ (સોલર સેલ) છે.
સોલર સેલમાં,સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ દ્વારા પ્રકાશ (ફોટોન) ના શોષણને કારણે ઇલેક્ટ્રોમોટિવ ફોર્સ $(EMF)$ ઉત્પન્ન થાય છે.
જ્યારે બેન્ડગેપ એનર્જી $(E_g)$ કરતા વધારે ઉર્જા ધરાવતો પ્રકાશ $p-n$ જંકશન પર પડે છે,ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે.
આ ચાર્જ કેરિયર્સ જંકશનના ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ દ્વારા અલગ થાય છે,જેનાથી બાહ્ય વોલ્ટેજ સ્ત્રોતની જરૂર વગર ઉપકરણમાં પોટેન્શિયલ ડિફરન્સ (સ્થિતિમાનનો તફાવત) સર્જાય છે.

(B) ફોટોડાયોડ એ $p-n$ જંકશન ડાયોડનો એક ખાસ પ્રકાર છે જે રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં કાર્ય કરવા માટે બનાવવામાં આવ્યો છે.
જ્યારે સેમિકન્ડક્ટરની બેન્ડગેપ ઉર્જા કરતા વધારે ઉર્જા ધરાવતો પ્રકાશ (ફોટોન) જંકશન પર પડે છે,ત્યારે તે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી ઉત્પન્ન કરે છે.
આ ચાર્જ કેરિયર્સ ડિપ્લેશન રિજનમાં રહેલા વિદ્યુતક્ષેત્ર દ્વારા જંકશનની આરપાર ખેંચાય છે,જેનાથી ફોટોકરંટ ઉત્પન્ન થાય છે.
આ ગુણધર્મને કારણે,તેનો ઉપયોગ ઓપ્ટિકલ સિગ્નલોને ઇલેક્ટ્રિકલ સિગ્નલોમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે પ્રકાશ ડિટેક્ટર તરીકે થાય છે.

(N/A) $LED$ (લાઈટ એમિટિંગ ડાયોડ) બનાવવા માટે વપરાતા સેમિકન્ડક્ટરનો બેન્ડ ગેપ સામાન્ય રીતે $1.8 \ eV$ થી $3.0 \ eV$ ની વચ્ચે હોય છે.
આ ઉર્જા શ્રેણી પ્રકાશના દ્રશ્યમાન વર્ણપટને અનુરૂપ છે,જે $LED$ ને લાલથી લઈને જાંબલી રંગ સુધીનો પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરવાની મંજૂરી આપે છે.
ચોક્કસ બેન્ડ ગેપ વપરાયેલ સેમિકન્ડક્ટરના મટિરિયલ કમ્પોઝિશન (દા.ત. ગેલિયમ આર્સેનાઈડ ફોસ્ફાઈડ અથવા ગેલિયમ નાઈટ્રાઈડ) પર આધાર રાખે છે.

(N/A) સોલર સેલ એ એક એવું ઉપકરણ છે જે પ્રકાશ ઉર્જાનું વિદ્યુત ઉર્જામાં રૂપાંતર કરે છે. તે પાવરનો વપરાશ કરવાને બદલે પાવરના સ્ત્રોત તરીકે કાર્ય કરે છે.
$I-V$ લાક્ષણિકતા આલેખમાં,$V$-અક્ષ ઉપકરણ પરનો વોલ્ટેજ દર્શાવે છે અને $I$-અક્ષ તેમાંથી વહેતો પ્રવાહ દર્શાવે છે.
સોલર સેલ માટે,ઉત્પન્ન થયેલ પ્રવાહ $(I)$ ઉપકરણમાંથી બહાર વહે છે,જેને સર્કિટમાં રૂઢિગત રીતે ઋણ ગણવામાં આવે છે,જ્યારે ટર્મિનલ્સ પરનો વોલ્ટેજ $(V)$ ધન હોય છે.
પ્રવાહ ઋણ $(I < 0)$ અને વોલ્ટેજ ધન $(V > 0)$ હોવાથી,કાર્યકારી બિંદુ કાર્ટેઝિયન યામ પદ્ધતિના ચોથા ચરણમાં આવે છે.
આ દર્શાવે છે કે સોલર સેલ બાહ્ય લોડને પાવર પૂરો પાડી રહ્યો છે.

(N/A) $(i)$ આકૃતિ $(a)$ ઝેનર ડાયોડના લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે અને આકૃતિ $(b)$ સોલર સેલના લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે.
$(ii)$ આકૃતિ $(a)$ માં બિંદુ $P$ એ રિવર્સ બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ દર્શાવે છે,જેને ઝેનર વોલ્ટેજ $(V_Z)$ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે.
$(iii)$ આકૃતિ $(b)$ માં બિંદુ $P$ એ ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ $(V_{OC})$ દર્શાવે છે. આ તે વોલ્ટેજ છે જ્યારે સોલર સેલમાંથી વહેતો કુલ પ્રવાહ શૂન્ય હોય છે. આ બિંદુએ,લાગુ કરેલા વોલ્ટેજને કારણે મળતો ફોરવર્ડ પ્રવાહ,પ્રકાશ દ્વારા ઉત્પન્ન થતા ફોટોકરન્ટને સંપૂર્ણપણે નાબૂદ કરે છે.
આકૃતિ $(b)$ માં બિંદુ $Q$ એ શોર્ટ સર્કિટ કરંટ $(I_{SC})$ દર્શાવે છે. આ તે પ્રવાહ છે જે સોલર સેલમાંથી વહે છે જ્યારે તેના પર લાગુ કરવામાં આવેલ બાહ્ય વોલ્ટેજ શૂન્ય હોય છે,જ્યારે તે પ્રકાશિત હોય છે.

(B) ફોટોડાયોડ પ્રકાશને ત્યારે જ શોધી શકે છે જ્યારે આપાત ફોટોનની ઉર્જા $(E)$ એ સેમિકન્ડક્ટરના બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $(E_g)$ કરતા વધારે હોય.
$6000 \ \mathring{A}$ તરંગલંબાઇ ધરાવતા ફોટોનની ઉર્જા:
$E = \frac{hc}{\lambda} = \frac{12400 \ eV \cdot \mathring{A}}{6000 \ \mathring{A}} \approx 2.07 \ eV$.
શોધવા માટે,આપણે $E > E_g$ ની શરત તપાસવી પડે:
$1$. $D_1$ માટે: $E_g = 2.5 \ eV$. અહીં $2.07 \ eV < 2.5 \ eV$ હોવાથી,$D_1$ પ્રકાશ શોધી શકશે નહીં.
$2$. $D_2$ માટે: $E_g = 2.0 \ eV$. અહીં $2.07 \ eV > 2.0 \ eV$ હોવાથી,$D_2$ પ્રકાશ શોધી શકશે.
$3$. $D_3$ માટે: $E_g = 3.0 \ eV$. અહીં $2.07 \ eV < 3.0 \ eV$ હોવાથી,$D_3$ પ્રકાશ શોધી શકશે નહીં.
આમ,માત્ર $D_2$ જ પ્રકાશ શોધી શકશે.