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

(N/A) તત્વીય અર્ધવાહકો, જેમ કે સિલિકોન $(Si)$ અથવા જર્મેનિયમ $(Ge)$ ની બેન્ડ ગેપ ઉર્જા પ્રમાણમાં ઓછી હોય છે. સિલિકોન માટે બેન્ડ ગેપ આશરે $1.1 \text{ eV}$ છે અને જર્મેનિયમ માટે તે આશરે $0.67 \text{ eV}$ છે.
દ્રશ્યમાન પ્રકાશ આશરે $1.8 \text{ eV}$ થી $3.1 \text{ eV}$ ની ફોટોન ઉર્જાને અનુરૂપ હોય છે.
તત્વીય અર્ધવાહકોની બેન્ડ ગેપ ખૂબ ઓછી હોવાથી, ઇલેક્ટ્રોન-હોલ પુનઃસંયોજન દરમિયાન મુક્ત થતી ઉર્જા દ્રશ્યમાન વર્ણપટમાં ફોટોન ઉત્પન્ન કરવા માટે અપૂરતી હોય છે. તેના બદલે, તેઓ ઇન્ફ્રારેડ વિસ્તારમાં વિકિરણનું ઉત્સર્જન કરે છે.
તેથી, દ્રશ્યમાન પ્રકાશના $LED$ બનાવવા માટે મોટી બેન્ડ ગેપ ધરાવતા સંયોજન અર્ધવાહકોની જરૂર પડે છે.

(C) સેમિકન્ડક્ટરની બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $E_g$ અને તે શોધી શકે તેવા ફોટોનની મહત્તમ તરંગલંબાઇ $\lambda$ વચ્ચેનો સંબંધ નીચે મુજબ છે: $E_g = \frac{hc}{\lambda}$.
આપેલ કિંમતો મૂકતા:
$h = 6.63 \times 10^{-34}\, J \cdot s$
$c = 3 \times 10^{8}\, m/s$
$\lambda = 400 \times 10^{-9}\, m$
$E_g = \frac{(6.63 \times 10^{-34}) \times (3 \times 10^{8})}{400 \times 10^{-9}}\, J$
$E_g = \frac{19.89 \times 10^{-26}}{4 \times 10^{-7}}\, J = 4.9725 \times 10^{-19}\, J$.
આ ઉર્જાને ઇલેક્ટ્રોન-વોલ્ટ $(eV)$ માં ફેરવવા માટે, ઇલેક્ટ્રોનના વિદ્યુતભાર $e = 1.6 \times 10^{-19}\, C$ વડે ભાગતા:
$E_g (eV\; \text{માં}) = \frac{4.9725 \times 10^{-19}}{1.6 \times 10^{-19}} \approx 3.1\; eV$.

(B) રેઝિસ્ટન્સ મોડમાં મલ્ટિમીટર કરંટ માપવા માટે ઘટક પર નાનો $DC$ વોલ્ટેજ લાગુ કરે છે।
$(1)$ કેપેસિટર માટે, મલ્ટિમીટર ચાર્જિંગ દરમિયાન ક્ષણિક ડિફ્લેક્શન બતાવશે, પ્રોબ્સની પોલેરિટી ગમે તે હોય। તેથી, તે $NO$ ડિફ્લેક્શન બતાવે છે તે વિધાન ખોટું છે।
$(2)$ $LED$ એ ડાયોડ છે। ફોરવર્ડ બાયસમાં તે વહન કરે છે (ડિફ્લેક્શન બતાવે છે), અને રિવર્સ બાયસમાં તે કરંટને અટકાવે છે (કોઈ ડિફ્લેક્શન નહીં)। વિકલ્પ વિરુદ્ધ વર્તન સૂચવે છે, જે એવી અવલોકન છે જે જોવા મળશે $\text{નહીં}$।
$(3)$ ધાતુના તાર માટે, અવરોધ લગભગ $0 \ \Omega$ હોય છે, તેથી મલ્ટિમીટર $NO$ ડિફ્લેક્શન બતાવશે।
$(4)$ અવરોધક એક ઓહ્મિક ઘટક છે; તેનો અવરોધ કરંટની દિશા પર આધારિત નથી, તેથી પ્રોબ્સ ઉલટાવતી વખતે ડિફ્લેક્શન સમાન રહે છે।

(A) ફોટોડાયોડ રિવર્સ બાયસ મોડમાં કાર્ય કરે છે. જ્યારે બેન્ડગેપ ઉર્જા કરતા વધારે ઉર્જા ધરાવતો પ્રકાશ ફોટોડાયોડ પર પડે છે,ત્યારે ડેપ્લેશન રીજનમાં ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે.
જેમ જેમ રિવર્સ બાયસિંગ વોલ્ટેજ વધારવામાં આવે છે,તેમ ડેપ્લેશન રીજનમાં વિદ્યુતક્ષેત્ર વધે છે,જે ઉત્પન્ન થયેલા ચાર્જ કેરિયર્સને જંકશનની આરપાર વધુ અસરકારક રીતે ખેંચવામાં મદદ કરે છે,જેનાથી ફોટોકરંટ વધે છે.
જો કે,એકવાર બધા ઉત્પન્ન થયેલા ચાર્જ કેરિયર્સ એકત્રિત થઈ જાય પછી,રિવર્સ બાયસ વોલ્ટેજમાં વધુ વધારો કરવાથી ફોટોકરંટમાં નોંધપાત્ર વધારો થતો નથી અને તે સંતૃપ્તિ મૂલ્ય સુધી પહોંચે છે. આ ફોટોડાયોડના $I-V$ લાક્ષણિકતા વક્રમાં દર્શાવેલ છે.

(D) એનર્જી ગેપ $E_g = 1.9\, eV$ આપેલ છે.
તેને જુલમાં ફેરવવા માટે,આપણે $1.6 \times 10^{-19} \, J/eV$ વડે ગુણીએ છીએ:
$E = 1.9 \times 1.6 \times 10^{-19} \, J = 3.04 \times 10^{-19} \, J$.
તરંગલંબાઇ $\lambda$ શોધવા માટેનું સૂત્ર $\lambda = \frac{hc}{E}$ છે.
કિંમતો મૂકતા: $\lambda = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8}}{3.04 \times 10^{-19}}$.
$\lambda = \frac{19.89 \times 10^{-26}}{3.04 \times 10^{-19}} \approx 6.54 \times 10^{-7} \, m$.
$\lambda = 654 \, nm$.
$654 \, nm$ ની તરંગલંબાઇ દ્રશ્યમાન વર્ણપટના લાલ રંગના વિસ્તારને અનુરૂપ છે.

(C) હોલ-ઇલેક્ટ્રોન જોડીઓ ઉત્પન્ન કરવા માટે આપાત ફોટોનની ઉર્જા બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $(E_g)$ જેટલી અથવા તેનાથી વધુ હોવી જોઈએ.
અહીં થ્રેશોલ્ડ તરંગલંબાઇ $\lambda_0 = 621 \, nm$ આપેલી છે.
બેન્ડ ગેપ ઉર્જા નીચેના સૂત્ર દ્વારા ગણવામાં આવે છે:
$E_g = \frac{hc}{\lambda_0}$
$hc \approx 1242 \, eV \cdot nm$ નો ઉપયોગ કરતા:
$E_g = \frac{1242 \, eV \cdot nm}{621 \, nm} = 2 \, eV$.
તેથી,બેન્ડ ગેપ $2 \, eV$ છે.

(D) ફોટોડાયોડ એ એક $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે પારદર્શક વિન્ડો સાથે બનાવવામાં આવે છે જેથી પ્રકાશ ડાયોડ પર પડી શકે. જ્યારે ફોટોડાયોડ પર પ્રકાશ ($h
u > E_g$ ઉર્જા ધરાવતા ફોટોન) આપાત કરવામાં આવે છે,ત્યારે ફોટોનના શોષણને કારણે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે. આ ચાર્જ કેરિયર્સ ડિપ્લેશન રિજનમાં માઇનોરિટી કેરિયર્સ હોય છે. રિવર્સ બાયસ હેઠળ,વિદ્યુત ક્ષેત્ર આ માઇનોરિટી કેરિયર્સને જંકશનની આરપાર ખેંચે છે,જેનાથી કરંટ ઉત્પન્ન થાય છે. રિવર્સ સેચ્યુરેશન કરંટ માઇનોરિટી કેરિયર્સના ઉત્પાદન પ્રત્યે અત્યંત સંવેદનશીલ હોવાથી,આપાત પ્રકાશની તીવ્રતામાં થતો નાનો આંશિક ફેરફાર રિવર્સ બાયસ કરંટમાં નોંધપાત્ર અને સરળતાથી શોધી શકાય તેવો ફેરફાર ઉત્પન્ન કરે છે.

(A) $LED$ દ્વારા ઉત્સર્જિત ફોટોનની ઉર્જા $E = \frac{hc}{\lambda}$ સૂત્ર દ્વારા આપવામાં આવે છે.
આપેલ છે,તરંગલંબાઈ $\lambda = 4000 \, \mathring{A} = 400 \, \text{nm}$.
સંબંધ $E \approx \frac{1240}{\lambda (\text{nm માં})} \, \text{eV}$ નો ઉપયોગ કરતા:
$E = \frac{1240}{400} \, \text{eV} = 3.1 \, \text{eV}$.
નજીકના પૂર્ણાંકમાં રાઉન્ડ ઓફ કરતા,આપણને $3 \, \text{eV}$ મળે છે.

(A) સોલર સેલ માટે,પદાર્થ $A$ સૌર વર્ણપટના નોંધપાત્ર ભાગને શોષી શકવા સક્ષમ હોવો જોઈએ. સૌર વિકિરણોને વિદ્યુત ઉર્જા (emf) માં કાર્યક્ષમ રીતે રૂપાંતરિત કરવા માટે $A$ ની બેન્ડ ગેપ ઉર્જા લગભગ $1.5 \, eV$ હોવી જોઈએ.
પદાર્થ $B$ નો ઉપયોગ રક્ષણાત્મક કોટિંગ તરીકે થાય છે. સૌર વિકિરણો આ કોટિંગમાંથી શોષાયા વિના પસાર થઈ શકે તે સુનિશ્ચિત કરવા માટે,પદાર્થ $B$ ની બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $E_{B}$ આપાત ફોટોનની ઉર્જા કરતા નોંધપાત્ર રીતે મોટી હોવી જોઈએ. તેથી,પદાર્થ $B$ માટે $E_{B} = 5 \, eV$ જેવી મોટી બેન્ડ ગેપ આદર્શ છે જેથી તે સૌર વર્ણપટ માટે પારદર્શક રહે.
આમ,શ્રેષ્ઠ વિકલ્પ $E_{A} = 1.5 \, eV$ અને $E_{B} = 5 \, eV$ છે.

(C) સોલર સેલમાં,જ્યારે $hf > E_g$ ઉર્જા ધરાવતો પ્રકાશ $p-n$ જંકશન પર પડે છે,ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે. આ વિદ્યુતભારો જંકશનના વિદ્યુતક્ષેત્ર દ્વારા અલગ થાય છે,જેમાં ઇલેક્ટ્રોન $n$-બાજુ તરફ અને હોલ $p$-બાજુ તરફ ગતિ કરે છે.
જો કોઈ લોડ જોડાયેલ ન હોય,તો આ વિદ્યુતભારો $n$ અને $p$ બાજુઓ પર એકઠા થાય છે,જે ફોટો-વોલ્ટેજ ઉત્પન્ન કરે છે.
જ્યારે બાહ્ય લોડ જોડવામાં આવે છે,ત્યારે સર્કિટમાં ફોટો-પ્રવાહ $I_L$ વહે છે. આ સ્થિતિમાં,ઉપકરણ પાવર સ્ત્રોત તરીકે કાર્ય કરે છે અને બાહ્ય લોડને પાવર આપે છે. આ કાર્ય માટે $V-I$ લાક્ષણિકતા વક્ર ચોથા ચરણમાં આવે છે,જ્યાં વોલ્ટેજ $V$ ધન છે અને પ્રવાહ $I$ ઋણ છે (જે દર્શાવે છે કે પ્રવાહ ઉપકરણમાંથી બહાર વહી રહ્યો છે). તેથી,ડાયોડ ચોથા ચરણમાં પાવર ઉત્પન્ન કરે છે.

(B) સાચો વિકલ્પ $B$ છે.
સોલર સેલ એ એવા ઉપકરણો છે જે સૌર ઉર્જાનું વિદ્યુત ઉર્જામાં રૂપાંતર કરે છે. સોલર સેલની કાર્યક્ષમતા વપરાયેલ સેમિકન્ડક્ટર પદાર્થના બેન્ડ ગેપ પર આધાર રાખે છે.
$GaAs$ (ગેલિયમ આર્સેનાઈડ) નો બેન્ડ ગેપ આશરે $1.43 \,eV$ થી $1.5 \,eV$ જેટલો હોય છે. આ મૂલ્ય સૌર વિકિરણ વર્ણપટની મહત્તમ તીવ્રતાની ખૂબ નજીક છે,જે તેને સૌર ઉર્જાને અસરકારક રીતે શોષવા માટે એક આદર્શ પદાર્થ બનાવે છે.
જોકે $Ge$ (જર્મેનિયમ) અને અન્ય પદાર્થો સેમિકન્ડક્ટર છે,પરંતુ $GaAs$ તેના બેન્ડ ગેપના કારણે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા ધરાવતા સોલર સેલ માટે ખાસ પસંદ કરવામાં આવે છે.

(D) ફોટોનની ઉર્જા $E = \frac{hc}{\lambda}$ દ્વારા આપવામાં આવે છે.
ફોટોડાયોડ દ્વારા પ્રકાશને શોધવા માટે,આપાત ફોટોનની ઉર્જા સેમિકન્ડક્ટરના બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $(E_g)$ કરતા વધારે અથવા તેના જેટલી હોવી જોઈએ.
અહીં $E_g = 3.1 \,eV$ આપેલ છે.
$E \approx \frac{12400}{\lambda (\mathring{A} \text{ માં})} \,eV$ સંબંધનો ઉપયોગ કરીને,આપણે શરત મૂકીએ છીએ કે $\frac{12400}{\lambda} > 3.1$.
$\lambda$ માટે ઉકેલતા,આપણને $\lambda < \frac{12400}{3.1} \,\mathring{A} = 4000 \,\mathring{A}$ મળે છે.
કારણ કે $4000 \,\mathring{A}$ અને $3900 \,\mathring{A}$ બંને $\lambda \leq 4000 \,\mathring{A}$ શરતનું પાલન કરે છે,તેથી બંને તરંગલંબાઈ શોધી શકાય છે.

(C) $p-n$ જંકશન સોલર સેલમાં,જ્યારે મોનોક્રોમેટિક પ્રકાશ જંકશન પર પડે છે,ત્યારે ફોટોનનું શોષણ થવાને કારણે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે.
આ ચાર્જ કેરિયર્સ ડિપ્લેશન રિજનના વિદ્યુતક્ષેત્ર દ્વારા અલગ થાય છે,જે એક પોટેન્શિયલ તફાવત બનાવે છે જેને ફોટો-ઇલેક્ટ્રોમોટિવ ફોર્સ (ફોટો-$EMF$) કહેવામાં આવે છે.
ઉત્પન્ન થયેલ ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓની સંખ્યા એકમ સમયમાં એકમ ક્ષેત્રફળ પર પડતા ફોટોનની સંખ્યાના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે,જેને પ્રકાશની તીવ્રતા તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે.
તેથી,ઉત્પન્ન થયેલ ફોટો-$EMF$ એ સેલ પર પડતા પ્રકાશની તીવ્રતાના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે.

(B) વિધાન $A$ સાચું છે: ફોટોડાયોડને રિવર્સ બાયસમાં કામ કરવા માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા છે. રિવર્સ બાયસમાં,રિવર્સ સેચ્યુરેશન કરંટ ખૂબ જ ઓછો હોય છે અને તે આપાત પ્રકાશની તીવ્રતા પ્રત્યે અત્યંત સંવેદનશીલ હોય છે. આનાથી પ્રકાશની તીવ્રતામાં થતા નાના ફેરફારોને શોધવાનું સરળ બને છે.
કારણ $R$ સાચું છે: $p-n$ જંકશન ડાયોડ માટે,ફોરવર્ડ બાયસ પ્રવાહ રિવર્સ બાયસ પ્રવાહ કરતા નોંધપાત્ર રીતે વધારે હોય છે કારણ કે ફોરવર્ડ બાયસમાં બેરિયરની ઊંચાઈ ઘટે છે,જેનાથી મેજોરિટી કેરિયર્સ સરળતાથી વહી શકે છે.
જોકે,કારણ $R$ એ વિધાન $A$ માટે સાચી સમજૂતી નથી. ફોટોડાયોડને રિવર્સ બાયસમાં ચલાવવાનું કારણ એ છે કે આપાત પ્રકાશને કારણે રિવર્સ કરંટમાં થતો આંશિક ફેરફાર ફોરવર્ડ કરંટની સરખામણીમાં માપવા માટે વધુ સરળ અને મોટો હોય છે,માત્ર એટલા માટે નહીં કે ફોરવર્ડ કરંટ રિવર્સ કરંટ કરતા વધારે છે.

(C) ફોટોડાયોડ ખાસ કરીને પ્રકાશની તીવ્રતા શોધવા માટે રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં કામ કરવા માટે બનાવવામાં આવે છે, કારણ કે રિવર્સ સેચ્યુરેશન કરંટ આપાત પ્રકાશ પ્રત્યે અત્યંત સંવેદનશીલ હોય છે. તેથી, વિધાન $A$ ખોટું છે.
$p-n$ જંકશન ડાયોડ માટે, થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ $V_0$ સુધી પહોંચ્યા પછી ફોરવર્ડ બાયસ કરંટ વોલ્ટેજ સાથે ઘાતાંકીય રીતે વધે છે, જ્યારે બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ $V_z$ સુધી પહોંચે ત્યાં સુધી રિવર્સ બાયસ કરંટ ખૂબ જ નાનો રહે છે. આમ, $|V_z| > |V| \geq V_0$ ની શ્રેણી માટે, ફોરવર્ડ બાયસ કરંટ રિવર્સ બાયસ કરંટ કરતા નોંધપાત્ર રીતે મોટો હોય છે. તેથી, કારણ $R$ સાચું છે.

(C) લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ $(LED)$ એ હેવીલી ડોપ્ડ $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે.
તે ફક્ત ત્યારે જ પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે છે જ્યારે તે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય,કારણ કે ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ્સનું પુનઃસંયોજન ફોટોનના સ્વરૂપમાં ઊર્જા મુક્ત કરે છે.
તે રિવર્સ બાયસમાં હોય ત્યારે પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરતું નથી.
ઉત્સર્જિત પ્રકાશની ઊર્જા $(E = h
u)$ એ વપરાયેલ સેમિકન્ડક્ટર મટીરીયલના એનર્જી બેન્ડ ગેપ $(E_g)$ જેટલી અથવા તેનાથી થોડી ઓછી હોય છે.
તેથી,વિધાન $C$ ખોટું છે.

(A) આપાત ફોટોનની ઉર્જા એ ફોટોડાયોડની બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $E_g$ ને અનુરૂપ છે.
$E_g = \frac{hc}{\lambda}$
અહીં $\lambda = 660 \, nm = 660 \times 10^{-9} \, m$, $h = 6.6 \times 10^{-34} \, Js$, અને $c = 3 \times 10^8 \, m/s$ આપેલ છે.
$E_g = \frac{6.6 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{660 \times 10^{-9}} \, J$
આ ઉર્જાને $eV$ માં રૂપાંતરિત કરવા માટે, તેને પ્રાથમિક વિદ્યુતભાર $e = 1.6 \times 10^{-19} \, C$ વડે ભાગતા:
$E_g (eV \text{ માં}) = \frac{6.6 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{660 \times 10^{-9} \times 1.6 \times 10^{-19}} \, eV$
$E_g = \frac{19.8 \times 10^{-26}}{1056 \times 10^{-28}} \, eV = \frac{19.8 \times 100}{1056} \, eV = \frac{1980}{1056} \, eV$
અપૂર્ણાંકનું સાદું રૂપ આપતા: $\frac{1980}{1056} = \frac{15}{8} \, eV$.
તેને $\left(\frac{x}{8}\right) eV$ સાથે સરખાવતા, આપણને $x = 15$ મળે છે.

(C) ઉત્સર્જિત ફોટોનની ઉર્જા એ સેમિકન્ડક્ટરના બેન્ડ ગેપ ઉર્જા જેટલી હોય છે, $E_g = 1.42 \,eV$.
તરંગલંબાઇ $\lambda$ અને ઉર્જા $E$ વચ્ચેનો સંબંધ નીચે મુજબ છે: $\lambda = \frac{hc}{E}$.
$hc \approx 1240 \,eV \cdot nm$ નો ઉપયોગ કરતા:
$\lambda = \frac{1240 \,eV \cdot nm}{1.42 \,eV} \approx 873.24 \,nm$.
આપેલા વિકલ્પો મુજબ નજીકની કિંમત લેતા, $\lambda \approx 875 \,nm$ મળે છે.

(D) વિધાન $A$: સોલર સેલ પ્રકાશ ઉર્જાનું વિદ્યુત ઉર્જામાં રૂપાંતર કરે છે. સોલર સેલના $I-V$ લાક્ષણિકતા વક્રમાં,વોલ્ટેજ ધન હોય છે અને પ્રવાહ ઋણ હોય છે (કારણ કે તે બાહ્ય લોડને પાવર આપે છે). આ $I-V$ આલેખના $IV$ ચરણને અનુરૂપ છે. તેથી,વિધાન $A$ સાચું છે.
વિધાન $B$: રિવર્સ-બાયસ્ડ $pn$ જંકશન ડાયોડમાં,પ્રવાહ અત્યંત ઓછો ($\mu A$ ના ક્રમમાં) હોય છે અને તે જંકશનની આરપાર માઇનોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સના ડ્રિફ્ટને કારણે હોય છે. મેજોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સ જંકશનથી દૂર ધકેલાય છે,જે તેમને પ્રવાહમાં ફાળો આપતા અટકાવે છે. તેથી,વિધાન $B$ ખોટું છે.

(D) વિધાન $A$ ખોટું છે કારણ કે સોલર સેલનો જંકશન વિસ્તાર વધુ પ્રકાશ એકત્રિત કરવા માટે મોટો રાખવામાં આવે છે,જ્યારે ફોટોડાયોડનો વિસ્તાર ઝડપી પ્રતિભાવ માટે નાનો હોય છે.
વિધાન $B$ સાચું છે કારણ કે સોલર સેલ કોઈપણ બાહ્ય બાયસ વગર ફોટોવોલ્ટેઇક મોડમાં કાર્ય કરે છે.
વિધાન $C$ ખોટું છે કારણ કે $\text{LED}$ એ હેવીલી ડોપ્ડ $p-n$ જંકશનથી બનેલી હોય છે જેથી કાર્યક્ષમ રીતે કેરિયર ઇન્જેક્શન થઈ શકે.
વિધાન $D$ ખોટું છે કારણ કે $\text{LED}$ ની પ્રકાશ તીવ્રતા ફોરવર્ડ કરંટ સાથે એક ચોક્કસ મર્યાદા સુધી જ વધે છે,ત્યારબાદ તે સંતૃપ્ત થાય છે.
વિધાન $E$ સાચું છે કારણ કે $\text{LED}$ ત્યારે જ પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે છે જ્યારે તે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય,જે જંકશન પર ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ્સના પુનઃસંયોજનનું કારણ બને છે.
તેથી,વિધાન $B$ અને $E$ સાચા છે.

(C) ફોટોડાયોડ રિવર્સ બાયસમાં કાર્ય કરે છે. જ્યારે પૂરતી ઉર્જાનો પ્રકાશ ફોટોડાયોડ પર આપાત થાય છે,ત્યારે ડેપ્લેશન રિજનમાં ઈલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે.
જેમ જેમ રિવર્સ બાયસિંગ વોલ્ટેજ વધે છે,તેમ ડેપ્લેશન રિજનમાં વિદ્યુતક્ષેત્ર વધે છે,જે ઉત્પન્ન થયેલા ચાર્જ કેરિયર્સને જંકશનની આરપાર વધુ અસરકારક રીતે ખેંચવામાં મદદ કરે છે.
શરૂઆતમાં,રિવર્સ બાયસ વોલ્ટેજમાં વધારા સાથે ફોટોઈલેક્ટ્રિક પ્રવાહ વધે છે.
જો કે,એકવાર વોલ્ટેજ તમામ ઉત્પન્ન થયેલા ચાર્જ કેરિયર્સને એકત્રિત કરવા માટે પૂરતો થઈ જાય,પછી પ્રવાહ સંતૃપ્તિ મૂલ્ય સુધી પહોંચે છે અને બાયસિંગ વોલ્ટેજમાં વધુ વધારો કરવા છતાં તે વધતો નથી. આ બાબત અલગ-અલગ પ્રકાશની તીવ્રતા $I_1$ અને $I_2$ માટેના લાક્ષણિક વક્રોમાં દર્શાવેલ છે.

(A) ફોટોડાયોડ એ $P-N$ જંકશન ડાયોડનો એક વિશિષ્ટ પ્રકાર છે જે રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં કાર્ય કરે છે.
જ્યારે $h\nu > E_g$ ઉર્જા ધરાવતો પ્રકાશ જંકશન પર આપાત થાય છે,ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે.
રિવર્સ બાયસમાં,જંકશન પરનું વિદ્યુતક્ષેત્ર પ્રબળ હોય છે,જે ઉત્પન્ન થયેલા વિદ્યુતભારોને જંકશનની આરપાર ખેંચી લે છે,જેનાથી ફોટોકરંટ ઉત્પન્ન થાય છે.
આ ફોટોકરંટનું મૂલ્ય આપાત પ્રકાશની તીવ્રતાના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે.
ભલે રિવર્સ સેચ્યુરેશન કરંટ ખૂબ જ ઓછો હોય,પરંતુ તે આપાત પ્રકાશની તીવ્રતા પ્રત્યે અત્યંત સંવેદનશીલ હોય છે,જે તેને પ્રકાશ શોધવા માટેનું આદર્શ સાધન બનાવે છે.
તેથી,વિધાન અને કારણ બંને સાચા છે,અને કારણ એ વિધાનની સાચી સમજૂતી છે.

(C) આપેલ લાક્ષણિક વક્ર ચોથા ચરણમાં $I-V$ સંબંધ દર્શાવે છે,જ્યાં ઉપકરણ પાવર ઉત્પન્ન કરે છે.
ચોક્કસપણે,તે $V$-અક્ષ પર 'ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ' અને $I$-અક્ષ પર 'શોર્ટ સર્કિટ કરંટ' દર્શાવે છે.
આ વર્તન સોલર સેલની લાક્ષણિકતા છે,જે પ્રકાશ ઉર્જાનું વિદ્યુત ઉર્જામાં રૂપાંતર કરે છે અને $I-V$ લાક્ષણિકતા વક્રના ચોથા ચરણમાં કાર્ય કરે છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $C$ છે.

(B) $1$. ઘટક $A$: કેપેસિટર $DC$ માટે ઓપન સર્કિટ તરીકે કામ કરે છે કારણ કે તેનો રિએક્ટન્સ $X_C = 1/(\omega C)$ એ $f = 0$ પર અનંત હોય છે. જો કે,તે $AC$ ને પસાર થવા દે છે કારણ કે તેની પાસે શૂન્ય ન હોય તેવી આવૃત્તિઓ પર મર્યાદિત રિએક્ટન્સ હોય છે.
$2$. ઘટક $B$: ડાયોડ ($p-n$ જંકશન ડાયોડ) $AC$ અને $DC$ બંને સિગ્નલ માટે માત્ર એક જ દિશામાં (ફોરવર્ડ બાયસ) પ્રવાહ વહેવા દે છે.
$3$. ઘટક $C$: લાઈટ એમિટિંગ ડાયોડ $(\text{LED})$ એ $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય ત્યારે પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે છે. પ્રકાશની તીવ્રતા પ્રવાહ (વોલ્ટેજ) સાથે એક ચોક્કસ બિંદુ સુધી વધે છે,ત્યારબાદ થર્મલ અસરો અથવા ઉપકરણની મર્યાદાઓને કારણે તે ઘટી શકે છે.
તેથી,$A$ એ કેપેસિટર છે,$B$ એ ડાયોડ છે,અને $C$ એ $\text{LED}$ છે.

(A) $\text{LED}$ (લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ) ફોરવર્ડ બાયસ સ્થિતિમાં કાર્ય કરે છે અને જ્યારે તેને ઉર્જા આપવામાં આવે ત્યારે તે પ્રકાશનું ઉત્સર્જન કરે છે.
એનર્જી બેન્ડ થિયરી મુજબ,ઉત્સર્જિત ફોટોનની ઉર્જા $E = h\nu = \frac{hc}{\lambda} \approx E_g$ દ્વારા આપવામાં આવે છે,જ્યાં $E_g$ એ સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલની બેન્ડ ગેપ ઉર્જા છે.
ઉત્સર્જિત પ્રકાશની આવૃત્તિ $\nu$ (અથવા ઉર્જા) એ બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $E_g$ ના સીધા પ્રમાણમાં હોવાથી,અને થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ (પોટેન્શિયલ બેરિયર) $V_k$ પણ બેન્ડ ગેપ ઉર્જા સાથે સીધો સંબંધિત હોવાથી $(V_k \approx E_g/e)$,ઉચ્ચ આવૃત્તિવાળા પ્રકાશ માટે ઉચ્ચ થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજની જરૂર પડે છે.
રંગોની આવૃત્તિઓની સરખામણી કરતા: $\nu_{\text{blue}} > \nu_{\text{green}} > \nu_{\text{yellow}} > \nu_{\text{red}}$.
તેથી,ઉત્સર્જન માટે જરૂરી થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ આ ક્રમમાં હોય છે: $V_{\text{blue}} > V_{\text{green}} > V_{\text{yellow}} > V_{\text{red}}$.
આ $I-V$ લાક્ષણિકતાના વક્રોને અનુરૂપ છે જ્યાં વાદળી પ્રકાશનો વક્ર વોલ્ટેજ અક્ષ પર સૌથી વધુ જમણી તરફ ખસેડાયેલ છે.

(B) ફોટોડાયોડ દ્વારા સિગ્નલ શોધવા માટે,આપાત ફોટોનની ઉર્જા સેમિકન્ડક્ટરના બેન્ડ ગેપ ઉર્જા જેટલી અથવા તેનાથી વધુ હોવી જોઈએ.
$E_{ph} \geq E_g$
$E_{ph} = \frac{hc}{\lambda}$ હોવાથી,$\frac{hc}{\lambda} \geq E_g$,જેનો અર્થ છે કે $\lambda \leq \frac{hc}{E_g}$.
સંબંધ $\lambda (\mathring{A} \text{ માં}) \approx \frac{12400}{E_g (eV \text{ માં})}$ નો ઉપયોગ કરતા,$E_g = 1.4 \ eV$ મૂકતા:
$\lambda \leq \frac{12400}{1.4} \ \mathring{A} \approx 8857 \ \mathring{A}$.
આપેલા વિકલ્પોમાંથી,$8000 \ \mathring{A}$ તરંગલંબાઇ ધરાવતું સિગ્નલ $8857 \ \mathring{A}$ કરતા ઓછું હોવાથી,તે શોધી શકાય છે.

(A) $LED$ માં,ઉત્સર્જિત પ્રકાશની તીવ્રતા જંકશનને ઓળંગતા વિદ્યુતભાર વાહકોની સંખ્યા પર આધાર રાખે છે. જેમ જેમ ફોરવર્ડ બાયસ વોલ્ટેજ શૂન્યથી વધે છે,તેમ પોટેન્શિયલ બેરિયર ઘટે છે,જે વધુ ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ્સને જંકશન ઓળંગવા અને પુનઃસંયોજન (recombination) કરવા દે છે. આ પુનઃસંયોજન ફોટોનના સ્વરૂપમાં ઉર્જા મુક્ત કરે છે,આમ ઉત્સર્જિત પ્રકાશની તીવ્રતા વધે છે. તેથી,લાગુ કરેલા ફોરવર્ડ બાયસ સાથે તીવ્રતા વધે છે.

(B) $LED$ (લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ) એ હેવીલી ડોપ્ડ $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય ત્યારે પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે છે.
તેની $I-V$ લાક્ષણિકતાઓ સામાન્ય $p-n$ જંકશન ડાયોડ જેવી જ હોય છે.
ફોરવર્ડ બાયસ વિસ્તારમાં,થ્રેશોલ્ડ (ની) વોલ્ટેજ પછી લાગુ કરેલા વોલ્ટેજ સાથે પ્રવાહ ઘાતાંકીય રીતે વધે છે.
રિવર્સ બાયસ વિસ્તારમાં,પ્રવાહ નહિવત હોય છે.
આલેખ $(a)$ સામાન્ય $p-n$ જંકશન ડાયોડની લાક્ષણિકતા દર્શાવે છે.
આલેખ $(b)$ ઉગમબિંદુથી શરૂ થતી ફોરવર્ડ બાયસ લાક્ષણિકતા દર્શાવે છે,જે પ્રથમ ચરણમાં $LED$ માટે પ્રમાણભૂત રજૂઆત છે.
તેથી,આલેખ $(b)$ સાચી રજૂઆત છે.

(D) ફોટોડાયોડ એ એક ખાસ પ્રકારનો $P-N$ જંકશન ડાયોડ છે જે પારદર્શક વિન્ડો સાથે બનાવવામાં આવે છે જેથી પ્રકાશ ડાયોડ પર પડી શકે.
જ્યારે ફોટોડાયોડ પર પ્રકાશ પાડવામાં આવે છે,ત્યારે ફોટોનના શોષણને કારણે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે.
આના પરિણામે રિવર્સ સેચ્યુરેશન કરંટમાં વધારો થાય છે.
રિવર્સ કરંટનું મૂલ્ય આપાત પ્રકાશની તીવ્રતાના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે.
આપેલ $I-V$ લાક્ષણિકતાઓના આલેખને જોતા,રિવર્સ બાયસ વિસ્તારમાં $I_1$ થી $I_4$ તરફ જતાં કરંટ વધે છે.
$I_4$ લેબલવાળા વક્ર માટે રિવર્સ કરંટ સૌથી વધુ હોવાથી,તે મહત્તમ પ્રકાશની તીવ્રતાને અનુરૂપ છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $D$ છે.

(C) સોલર સેલ એ $P-N$ જંકશન ઉપકરણ છે જે પ્રકાશ ઊર્જાનું વિદ્યુત ઊર્જામાં રૂપાંતર કરે છે. વિકલ્પ $C$ જણાવે છે કે તે વિદ્યુત ઊર્જાનું પ્રકાશમાં રૂપાંતર કરે છે,જે ખોટું છે. તેથી,આ અસંગત જોડી છે.

(D) ફોટોડાયોડ રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં કાર્ય કરે છે. સર્કિટ $(B)$ માં,$p$-બાજુને નેગેટિવ ટર્મિનલ સાથે અને $n$-બાજુને પોઝિટિવ ટર્મિનલ સાથે જોડવામાં આવી છે,જે રિવર્સ બાયસ છે. આમ,ફોટોડાયોડ માટે $(B)$ સાચું છે.
$LED$ (લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ) ફોરવર્ડ બાયસ સ્થિતિમાં કાર્ય કરે છે. સર્કિટ $(D)$ માં,$p$-બાજુને પોઝિટિવ ટર્મિનલ સાથે અને $n$-બાજુને નેગેટિવ ટર્મિનલ સાથે જોડવામાં આવી છે,જે ફોરવર્ડ બાયસ છે. આમ,$LED$ માટે $(D)$ સાચું છે.
તેથી,સામાન્ય કામગીરી માટે સાચી સર્કિટ આકૃતિઓ $(B)$ અને $(D)$ છે.

(D) આલેખ પ્રથમ ચરણમાં $y$-અક્ષ પર પ્રવાહ $I$ ($mA$ માં) અને $x$-અક્ષ પર વોલ્ટેજ $V$ ($Volt$ માં) દર્શાવે છે,જે ફોરવર્ડ બાયસ લાક્ષણિકતાઓ સૂચવે છે.
આપેલા વિકલ્પોમાંથી,લાઈટ એમિટિંગ ડાયોડ $(LED)$ ફોરવર્ડ બાયસમાં કાર્ય કરે છે,જ્યાં થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ પછી વોલ્ટેજ સાથે પ્રવાહ ઘાતાંકીય રીતે વધે છે,જેના પરિણામે ચાર્જ કેરિયર્સના પુનઃસંયોજનને કારણે પ્રકાશનું ઉત્સર્જન થાય છે.
તેથી,આ આલેખ $LED$ ની ફોરવર્ડ બાયસ લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે.

(C) ફોટોનની ઉર્જા $E = \frac{hc}{\lambda}$ દ્વારા આપવામાં આવે છે.
સેમિકન્ડક્ટર સિગ્નલને શોધી શકે તે માટે,આપાત ફોટોનની ઉર્જા બેન્ડ ગેપ ઉર્જા $(E_g = 2.5 eV)$ કરતા વધારે અથવા તેના જેટલી હોવી જોઈએ.
થ્રેશોલ્ડ તરંગલંબાઇ $\lambda$ ની ગણતરી નીચે મુજબ છે:
$\lambda = \frac{hc}{E_g} = \frac{6.6 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{2.5 \times 1.6 \times 10^{-19}} m$
$\lambda = \frac{19.8 \times 10^{-26}}{4.0 \times 10^{-19}} m = 4.95 \times 10^{-7} m = 4950 Å$.
ટૂંકી રીતનો ઉપયોગ કરતા: $\lambda(Å) = \frac{12400}{E(eV)} = \frac{12400}{2.5} = 4960 Å$.
ફોટોડાયોડ $E \ge 2.5 eV$ ઉર્જા ધરાવતા સિગ્નલોને શોધે છે,તેથી તરંગલંબાઇ $\lambda \le 4960 Å$ હોવી જોઈએ. આપેલા વિકલ્પોમાંથી,$5000 Å$ એ સૌથી નજીકની થ્રેશોલ્ડ કિંમત છે.

(C) ચોથા ચરણમાં કાર્યરત ઉપકરણની $I-V$ લાક્ષણિકતાઓ (જ્યાં વોલ્ટેજ ધન અને પ્રવાહ ઋણ હોય છે,અથવા તેનાથી ઉલટું) એવા ઉપકરણને દર્શાવે છે જે પાવર વાપરવાને બદલે ઉત્પન્ન કરે છે.
ફોટોસેલમાં,$I-V$ લાક્ષણિકતાઓ સામાન્ય રીતે ચોથા ચરણમાં દર્શાવવામાં આવે છે કારણ કે જ્યારે તેના પર પ્રકાશ પડે છે ત્યારે તે વિદ્યુત ઉર્જાના સ્ત્રોત તરીકે કાર્ય કરે છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $C$ છે.

(B) $LED$ (લાઈટ એમિટિંગ ડાયોડ) એ એક $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય ત્યારે પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે છે.
તેથી,તેની $V-I$ લાક્ષણિકતાઓ ફોરવર્ડ બાયસ વિસ્તારમાં કાર્યરત પ્રમાણભૂત $p-n$ જંકશન ડાયોડ જેવી જ હોય છે.
ફોરવર્ડ બાયસ વિસ્તારમાં,થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ (ની વોલ્ટેજ) પ્રાપ્ત થયા પછી લાગુ કરેલા વોલ્ટેજ સાથે પ્રવાહ ઘાતાંકીય રીતે વધે છે.
આલેખ $(b)$ પ્રથમ ચરણમાં વોલ્ટેજ સાથે પ્રવાહમાં આ ઘાતાંકીય વધારો દર્શાવે છે,જે ફોરવર્ડ બાયસમાં $LED$ ની લાક્ષણિક વર્તણૂક છે.
આલેખ $(a)$ ફોરવર્ડ અને રિવર્સ બાયસ બંને દર્શાવે છે,જે સામાન્ય ડાયોડ માટે છે.
આલેખ $(c)$ સોલર સેલની લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે.
આલેખ $(d)$ ફોટોડાયોડની લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે.

(D) સોલર સેલ એ એક એવું ઉપકરણ છે જે સૌર ઉર્જાનું વિદ્યુત ઉર્જામાં રૂપાંતર કરે છે. સૌર વિકિરણ વર્ણપટમાં લગભગ $1.5 \ eV$ ની આસપાસ મહત્તમ તીવ્રતા હોય છે. સૌર વિકિરણને અસરકારક રીતે શોષવા માટે,સોલર સેલમાં વપરાતા સેમિકન્ડક્ટર પદાર્થનો બેન્ડ ગેપ આ ઉર્જા શ્રેણી સાથે મેળ ખાતો હોવો જોઈએ. $1.0 \ eV$ થી $1.8 \ eV$ ની વચ્ચે બેન્ડ ગેપ ધરાવતા પદાર્થો આ હેતુ માટે આદર્શ છે,કારણ કે તેઓ સૌર વર્ણપટનો નોંધપાત્ર ભાગ શોષી શકે છે. સિલિકોન,જેનો બેન્ડ ગેપ આશરે $1.1 \ eV$ છે,તે સોલર સેલ માટે સૌથી વધુ વપરાતો પદાર્થ છે.

(B) $LED$ દ્વારા ઉત્સર્જિત પ્રકાશની તરંગલંબાઇ વપરાયેલ સેમિકન્ડક્ટર મટીરીયલની બેન્ડ ગેપ એનર્જી $(E_g)$ પર આધાર રાખે છે.
એલ્યુમિનિયમ ગેલિયમ આર્સેનાઇડ $(AlGaAs)$ એ એક એવું સેમિકન્ડક્ટર મટીરીયલ છે જેની બેન્ડ ગેપ એનર્જી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સ્પેક્ટ્રમના ઇન્ફ્રારેડ વિભાગને અનુરૂપ હોય છે.
તેથી,$AlGaAs$ નો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવેલ $LED$ ઇન્ફ્રારેડ વિકિરણનું ઉત્સર્જન કરે છે.

(B) ફોટોડાયોડ એ $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે રિવર્સ બાયસમાં કાર્ય કરે છે.
રિવર્સ બાયસમાં,પ્રવાહ મુખ્યત્વે જંકશનની આરપાર માઇનોરિટી ચાર્જ કેરિયર્સના ડ્રિફ્ટને કારણે હોય છે.
જ્યારે બેન્ડગેપ ઉર્જા કરતા વધારે ઉર્જા ધરાવતો પ્રકાશ (ફોટોન) ફોટોડાયોડ પર પડે છે,ત્યારે તે વધારાની ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન કરે છે.
આ ફોટો-જનરેટેડ માઇનોરિટી કેરિયર્સ વિદ્યુતક્ષેત્ર દ્વારા જંકશનની આરપાર ખેંચાય છે,જેનાથી રિવર્સ કરંટમાં વધારો થાય છે.
તેથી,ફોટોડાયોડમાં રિવર્સ કરંટ સીધો જ આપાત પ્રકાશ દ્વારા ઉત્પન્ન થતા માઇનોરિટી કેરિયર્સની સાંદ્રતા પર આધાર રાખે છે.

(A) પ્રકાશની તીવ્રતા માપવા માટે વપરાતું ઉપકરણ $Photodiode$ છે.
$Photodiode$ એ $PN$ જંકશન ડાયોડનો એક પ્રકાર છે જે પ્રકાશના સંપર્કમાં આવતા વિદ્યુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે છે.
તે ખાસ કરીને રિવર્સ બાયસ મોડમાં કામ કરવા માટે બનાવવામાં આવે છે.
જ્યારે જંકશન પર પ્રકાશ પડે છે,ત્યારે તે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી બનાવે છે અને આપાત પ્રકાશની તીવ્રતા સાથે રિવર્સ પ્રવાહ વધે છે.
તેથી,તે ફોટોડિટેક્ટર અથવા ફોટોસેન્સર તરીકે કાર્ય કરે છે.

(C) સાચો જવાબ $C$ છે.
$1$. પરંપરાગત પ્રકાશ સ્ત્રોતોની તુલનામાં $LED$ ખૂબ જ ઉર્જા કાર્યક્ષમ છે.
$2$. જો ઉચ્ચ ગુણવત્તા સાથે ઉત્પાદિત કરવામાં આવે તો $LED$ નું આયુષ્ય ખૂબ લાંબુ હોય છે.
$3$. $LED$ દ્વારા ઉત્સર્જિત પ્રકાશની તેજસ્વીતા તેમાંથી પસાર થતા ફોરવર્ડ કરંટને બદલીને સરળતાથી નિયંત્રિત કરી શકાય છે. તેથી,તે નિયંત્રિત કરી શકાતું નથી તેવું વિધાન ખોટું છે.
$4$. $LED$ દ્વારા ઉત્સર્જિત પ્રકાશ મોનોક્રોમેટિક હોય છે અને સમય જતાં ઝાંખો પડતો નથી.

(D) લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ $(LED)$ એ એક હેવીલી ડોપ્ડ $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય ત્યારે સ્વયંભૂ વિકિરણનું ઉત્સર્જન કરે છે.
ફોરવર્ડ બાયસ સ્થિતિમાં,પોટેન્શિયલ બેરિયર ઘટે છે,જેનાથી $n$-વિસ્તારના ઇલેક્ટ્રોન અને $p$-વિસ્તારના હોલ્સ જંકશનને ઓળંગી શકે છે.
આ ચાર્જ કેરિયર્સ જંકશન પર પુનઃસંયોજન (recombine) પામે છે અને ફોટોન (પ્રકાશ) સ્વરૂપે ઉર્જા મુક્ત કરે છે.
તેથી,પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરવા માટે $LED$ હંમેશા ફોરવર્ડ બાયસ સ્થિતિમાં જ કાર્યરત હોય છે.

(B) આ ઉપકરણોનો કાર્યકારી સિદ્ધાંત નીચે મુજબ છે:
$(1)$ ફોટોવોલ્ટેઇક સેલ સૌર ઊર્જાનું સીધું વિદ્યુત ઊર્જામાં રૂપાંતર કરે છે.
$(2)$ ફોટો-થર્મલ ઉપકરણો ગરમી ઉત્પન્ન કરવા માટે સૌર વિકિરણોનું શોષણ કરે છે.
$(3)$ ફોટોડાયોડ એ પ્રકાશ-સંવેદનશીલ ઉપકરણ છે જે પ્રકાશના સંપર્કમાં આવતા વિદ્યુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે છે,પરંતુ તેનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે ડિટેક્ટર તરીકે થાય છે.
$(4)$ $LED$ (લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ) વિદ્યુત ઊર્જાનું પ્રકાશ ઊર્જામાં રૂપાંતર કરે છે,જે સોલર સેલથી વિરુદ્ધ છે.
તેથી,જે ઉપકરણો મુખ્યત્વે સૌર ઊર્જા પર કામ કરે છે તે ફોટોવોલ્ટેઇક સેલ અને ફોટો-થર્મલ ઉપકરણો છે.

(C) $LED$ ની ઉત્સર્જન તરંગલંબાઇ વપરાયેલ અર્ધવાહક પદાર્થના બેન્ડ ગેપ પર આધાર રાખે છે. ઝિંક સેલેનાઇડ $(ZnSe)$ એ વિશાળ બેન્ડ ગેપ ધરાવતો અર્ધવાહક છે. જ્યારે $LED$ ઝિંક સેલેનાઇડનો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવે છે,ત્યારે તે દ્રશ્ય વર્ણપટના વાદળી વિસ્તારમાં પ્રકાશનું ઉત્સર્જન કરે છે.

(D) ફોટોડાયોડ એ $p-n$ જંકશન ડાયોડનો એક વિશિષ્ટ પ્રકાર છે જે રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં કાર્ય કરવા માટે બનાવવામાં આવે છે. તે પ્રકાશ પ્રત્યે સંવેદનશીલ હોય છે. ફોટોડાયોડની સંજ્ઞામાં સામાન્ય $p-n$ જંકશન ડાયોડની સંજ્ઞાની સાથે બે તીર ડાયોડ તરફ નિર્દેશ કરતા હોય છે,જે દર્શાવે છે કે તેના પર પ્રકાશ આપાત થાય છે. આપેલી આકૃતિ ઝેનર ડાયોડની સંજ્ઞા દર્શાવે છે (જેમાં કેથોડ પર '$Z$' આકારના છેડા હોય છે),તેથી તે ફોટોડાયોડ નથી. જોકે,પ્રમાણિત પાઠ્યપુસ્તકો મુજબ,ફોટોડાયોડને આવતા પ્રકાશના કિરણો દ્વારા ઓળખવામાં આવે છે.

(D) ફોટોડાયોડ એ $p-n$ જંકશન ડાયોડનો એક વિશિષ્ટ પ્રકાર છે,જે પારદર્શક વિન્ડો સાથે બનાવવામાં આવે છે જેથી પ્રકાશ ડાયોડ પર પડી શકે.
તે રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં કાર્યરત હોય છે.
જ્યારે સેમિકન્ડક્ટરના એનર્જી ગેપ $E_g$ કરતા વધારે ઉર્જા $h
u$ વાળો પ્રકાશ ડાયોડ પર આપાત થાય છે,ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન થાય છે.
જંકશન પરના વિદ્યુતક્ષેત્રને કારણે,આ ચાર્જ કેરિયર્સ પુનઃસંયોજિત થાય તે પહેલાં અલગ થઈ જાય છે,જેના પરિણામે બાહ્ય સર્કિટમાં પ્રવાહ વહે છે.
આ ફોટો-કરંટનું મૂલ્ય આપાત પ્રકાશની તીવ્રતા પર આધાર રાખે છે.
તેથી,સાચું વિધાન એ છે કે તે હંમેશા રિવર્સ બાયસમાં કાર્યરત હોય છે.

(C) લાઈટ એમિટિંગ ડાયોડ $(LED)$ એ હેવીલી ડોપ્ડ $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે.
જ્યારે ડાયોડને ફોરવર્ડ બાયસ આપવામાં આવે છે,ત્યારે $n$-વિસ્તારમાંથી ઇલેક્ટ્રોન અને $p$-વિસ્તારમાંથી હોલ્સ જંકશન વિસ્તારમાં દાખલ થાય છે.
જંકશન વિસ્તારમાં,આ વિદ્યુતભારોનું પુનઃસંયોજન (recombination) થાય છે.
પુનઃસંયોજનની પ્રક્રિયા દરમિયાન,મુક્ત થતી ઉર્જા ફોટોનના સ્વરૂપમાં હોય છે.
જો સેમિકન્ડક્ટર મટીરીયલ યોગ્ય બેન્ડ ગેપ ધરાવતું હોય,તો ઉત્સર્જિત ફોટોનની ઉર્જા દ્રશ્ય પ્રકાશના વર્ણપટને અનુરૂપ હોય છે.
તેથી,પ્રકાશનું ઉત્સર્જન હોલ્સ અને ઇલેક્ટ્રોનના પુનઃસંયોજનને કારણે થાય છે.

(A) ફોટોડાયોડ એ એક સેમિકન્ડક્ટર $p-n$ જંકશન ઉપકરણ છે જે ખાસ કરીને રિવર્સ બાયસ સ્થિતિમાં કાર્ય કરવા માટે બનાવવામાં આવ્યું છે. જ્યારે બેન્ડગેપ ઉર્જા કરતા વધારે ઉર્જા ધરાવતો પ્રકાશ જંકશન પર પડે છે,ત્યારે તે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી ઉત્પન્ન કરે છે. રિવર્સ બાયસનું વિદ્યુતક્ષેત્ર આ વિદ્યુતભારોને જંકશનની આરપાર ખેંચે છે,જેનાથી ફોટો કરંટ ઉત્પન્ન થાય છે જે આપાત પ્રકાશની તીવ્રતાના સમપ્રમાણમાં હોય છે.

(B) લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ $(LED)$ એ હેવીલી ડોપ્ડ $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય ત્યારે પ્રકાશનું ઉત્સર્જન કરે છે.
$LED$ ની યોજનાકીય સંજ્ઞામાં,તીર ડાયોડથી દૂરની દિશામાં હોય છે,જે પ્રકાશના ઉત્સર્જનને દર્શાવે છે.
વિકલ્પ $A$ ફોટોડાયોડ દર્શાવે છે (તીર ડાયોડ તરફ હોય છે).
વિકલ્પ $B$ $LED$ દર્શાવે છે (તીર ડાયોડથી દૂર હોય છે).
વિકલ્પ $C$ સામાન્ય $p-n$ જંકશન ડાયોડ દર્શાવે છે.
વિકલ્પ $D$ ઝેનર ડાયોડ દર્શાવે છે.
તેથી,$LED$ માટેની સાચી યોજનાકીય સંજ્ઞા વિકલ્પ $B$ માં દર્શાવેલ છે.

(A) જ્યારે $p-n$ જંકશન ડાયોડને ફોરવર્ડ બાયસ કરવામાં આવે છે,ત્યારે પોટેન્શિયલ બેરિયર ઘટે છે,જેનાથી $n$-વિસ્તારના ઇલેક્ટ્રોન અને $p$-વિસ્તારના હોલ્સ જંકશનને ઓળંગી શકે છે.
જંકશન પર,આ વિદ્યુતભારોનું પુનઃસંયોજન (recombination) થાય છે અને આ પ્રક્રિયા દરમિયાન મુક્ત થતી ઉર્જા ફોટોન સ્વરૂપે ઉત્સર્જિત થાય છે.
ગેલિયમ આર્સેનાઇડ અથવા ઇન્ડિયમ ફોસ્ફાઇડ જેવા વિશિષ્ટ સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલમાંથી બનાવેલા ડાયોડમાં,આ ઉર્જા દ્રશ્ય પ્રકાશના વર્ણપટને અનુરૂપ હોય છે.
આવા ઉપકરણને લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ $(LED)$ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

(B) $LED$ (લાઇટ એમિટિંગ ડાયોડ) એ એક ભારે ડોપ્ડ $p-n$ જંકશન ડાયોડ છે જે ફોરવર્ડ બાયસમાં હોય ત્યારે સ્વયંભૂ વિકિરણ ઉત્સર્જિત કરે છે. $LED$ માટે વપરાતી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીમાં બેન્ડ ગેપ ઉર્જા દ્રશ્ય વર્ણપટને અનુરૂપ હોવી જોઈએ. ગેલિયમ આર્સેનાઇડ ફોસ્ફાઇડ $(GaAsP)$ અથવા ગેલિયમ ફોસ્ફાઇડ $(GaP)$ સામાન્ય રીતે વપરાતી સામગ્રી છે. આપેલા વિકલ્પોમાંથી,ગેલિયમ આર્સેનાઇડ $(GaAs)$ એ $LED$ ટેકનોલોજીમાં પ્રકાશ ઉત્પન્ન કરવા માટે વપરાતું પ્રમાણભૂત સેમિકન્ડક્ટર છે.