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

(C) लैपटॉप $PC$,डिजिटल घड़ियाँ और कैलकुलेटर जैसे आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण डिस्प्ले के लिए लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले $(LCDs)$ का उपयोग करते हैं।
लिक्विड क्रिस्टल पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जिसके गुण पारंपरिक तरल पदार्थों और ठोस क्रिस्टल के बीच के होते हैं।
इन्हें विद्युत क्षेत्रों द्वारा प्रकाश के संचरण को नियंत्रित करने के लिए उपयोग किया जा सकता है,जो इन्हें कम बिजली की खपत वाली डिस्प्ले अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है।

(C) जब अर्धचालक के बैंडगैप से अधिक ऊर्जा वाला एकवर्णी प्रकाश $PN$ जंक्शन पर गिरता है,तो यह इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े बनाता है।
उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ों की संख्या आपतित फोटॉनों की संख्या के सीधे समानुपाती होती है।
चूंकि फोटो-विद्युत वाहक बल (photo-$EMF$) जंक्शन के विद्युत क्षेत्र द्वारा इन आवेश वाहकों के पृथक्करण के कारण उत्पन्न होता है,इसलिए फोटो-$EMF$ का परिमाण आपतित प्रकाश की तीव्रता के सीधे समानुपाती होता है।

(C) फोटोडायोड $p-n$ जंक्शन डायोड का एक विशेष प्रकार है जो प्रकाश के प्रति संवेदनशील होता है। जब इसे प्रकाश विकिरणों द्वारा प्रकाशित किया जाता है,तो अवक्षय क्षेत्र (depletion region) में इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न होते हैं,जो बदले में विद्युत धारा उत्पन्न करते हैं। फोटोडायोड के प्रतीक में एक मानक डायोड प्रतीक होता है जिसमें दो तीर डायोड की ओर इशारा करते हैं,जो यह दर्शाता है कि प्रकाश उस पर आपतित हो रहा है। इसलिए,विकल्प $C$ सही प्रतीकात्मक निरूपण है।

(B) अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन को वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में उत्तेजित करने के लिए आपतित फोटॉन की ऊर्जा कम से कम बैंड गैप ऊर्जा $E_g$ के बराबर होनी चाहिए।
अतः,पता लगाने की शर्त $h\nu \geq E_g$ है।
अधिकतम तरंगदैर्ध्य $\lambda_{max}$ न्यूनतम ऊर्जा के अनुरूप होती है,जो बैंड गैप ऊर्जा $E_g$ के बराबर होती है।
$\lambda_{max} = \frac{hc}{E_g}$
यहाँ $h = 6.63 \times 10^{-34} \, J \cdot s$,$c = 3 \times 10^8 \, m/s$,और $E_g = 0.73 \, eV = 0.73 \times 1.6 \times 10^{-19} \, J$ दिया गया है।
$\lambda_{max} = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{0.73 \times 1.6 \times 10^{-19}} \, m$
$\lambda_{max} \approx 1.703 \times 10^{-6} \, m = 1703 \, nm$.

(B) इलेक्ट्रॉन को वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में उत्तेजित करने के लिए आपतित फोटॉन की ऊर्जा कम से कम बैंड गैप ऊर्जा $E_g$ के बराबर होनी चाहिए।
अतः,$E = \frac{hc}{\lambda} = E_g$.
तरंगदैर्ध्य के लिए सूत्र: $\lambda = \frac{hc}{E_g}$.
यहाँ $h = 6.63 \times 10^{-34} \, J \cdot s$,$c = 3 \times 10^8 \, m/s$,और $E_g = 0.73 \, eV = 0.73 \times 1.6 \times 10^{-19} \, J$ है।
मान रखने पर:
$\lambda = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{0.73 \times 1.6 \times 10^{-19}} \, m$.
$\lambda \approx 1.703 \times 10^{-6} \, m = 1703 \, nm$.

(C) $APD$ का अर्थ है एवलांच फोटोडायोड $(Avalanche \text{ } Photodiode)$।
ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणाली में, रिसीवर छोर पर एक ऐसे उपकरण की आवश्यकता होती है जो आने वाली प्रकाश दालों (light pulses) का पता लगा सके और उन्हें वापस विद्युत संकेतों में परिवर्तित कर सके।
$APD$ एक अत्यधिक संवेदनशील अर्धचालक फोटोडायोड है जो गेन प्राप्त करने के लिए एवलांच प्रभाव का उपयोग करता है, जो इसे कमजोर ऑप्टिकल संकेतों का पता लगाने और उन्हें विद्युत संकेतों में बदलने के लिए आदर्श बनाता है।
इसलिए, $APD$ का सही कार्य ऑप्टिकल संकेतों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करना है।

(D) प्रकाश उत्सर्जक डायोड $(LED)$ एक अर्धचालक $p-n$ जंक्शन युक्ति है जो अग्र-दिशिक (forward-biased) होने पर विद्युत धारा प्रवाहित होने पर प्रकाश उत्सर्जित करती है।
$LED$ में,इलेक्ट्रॉनों और होलों के पुनर्संयोजन से फोटॉन के रूप में ऊर्जा मुक्त होती है,जिससे विद्युत ऊर्जा प्रकाश ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है।
इसके विपरीत,सौर सेल और फोटो-डायोड प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।

(C) फोटो-डायोड $(Photodiode)$ एक $p-n$ जंक्शन डायोड है जिसे विशेष रूप से रिवर्स बायस स्थितियों में काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।
जब रिवर्स बायस वाले फोटो-डायोड के जंक्शन पर प्रकाश पड़ता है,तो इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न होते हैं,जिससे रिवर्स सैचुरेशन करंट बढ़ जाता है।
$LED$ फॉरवर्ड बायस के तहत काम करते हैं,और सौर सेल बिना किसी बाहरी बायस के (फोटोवोल्टिक मोड में) काम करते हैं।

(B) सौर सेल एक ऐसा उपकरण है जो सौर ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
पर्याप्त मात्रा में विद्युत शक्ति उत्पन्न करने के लिए,सौर सेल को अधिक से अधिक आपतित सूर्य के प्रकाश को ग्रहण करने में सक्षम होना चाहिए।
चूंकि शक्ति आउटपुट प्रकाश के संपर्क में आने वाले सौर सेल के क्षेत्रफल के सीधे आनुपातिक होता है,इसलिए एक बड़ा सक्रिय क्षेत्र अधिक फोटॉन के अवशोषण की अनुमति देता है।
इसलिए,सौर सेल का सक्रिय क्षेत्र बड़ा बनाया जाता है ताकि प्राप्त शक्ति बढ़ सके।

(D) अवशोषण होने के लिए आपतित फोटॉन की ऊर्जा पदार्थ के बैंडगैप $(E_g)$ के बराबर या उससे अधिक होनी चाहिए।
दिया गया है: $E_g = 2.0 \ eV$.
ऊर्जा को जूल में बदलने पर: $E_g = 2.0 \times 1.6 \times 10^{-19} \ J = 3.2 \times 10^{-19} \ J$.
ऊर्जा और आवृत्ति $(f)$ के बीच का संबंध $E_g = hf$ है,जहाँ $h$ प्लांक नियतांक है $(h \approx 6.626 \times 10^{-34} \ J \cdot s)$.
अतः,न्यूनतम आवृत्ति $f = \frac{E_g}{h}$ होगी।
$f = \frac{3.2 \times 10^{-19}}{6.626 \times 10^{-34}} \approx 0.4829 \times 10^{15} \ Hz$.
$f \approx 4.83 \times 10^{14} \ Hz$.
दिए गए विकल्पों के अनुसार निकटतम मान $f \approx 5 \times 10^{14} \ Hz$ है।

(C) संयोजी बैंड से चालन बैंड में इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करने के लिए आपतित फोटॉन की ऊर्जा कम से कम बैंड गैप ऊर्जा $(E_g)$ के बराबर होनी चाहिए।
$E_g = \frac{hc}{\lambda}$
दिया गया है:
$h = 6.63 \times 10^{-34} \; J \cdot s$
$c = 3 \times 10^8 \; m/s$
$\lambda = 2480 \times 10^{-9} \; m$
$1 \; eV = 1.6 \times 10^{-19} \; J$
मान रखने पर:
$E_g = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{2480 \times 10^{-9}} \; J$
$eV$ में बदलने के लिए,$1.6 \times 10^{-19}$ से विभाजित करने पर:
$E_g = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{2480 \times 10^{-9} \times 1.6 \times 10^{-19}} \; eV$
$E_g \approx 0.5 \; eV$

(A) बैंडगैप ऊर्जा $E_g = 2.5 \ eV$ दी गई है।
फोटॉन का पता लगाने के लिए,आपतित फोटॉन की ऊर्जा $E = \frac{hc}{\lambda}$ बैंडगैप $E_g$ से अधिक या उसके बराबर होनी चाहिए।
सबसे पहले,$E_g$ के अनुरूप थ्रेशोल्ड तरंगदैर्ध्य $\lambda_{max}$ की गणना करें:
$\lambda_{max} = \frac{hc}{E_g} = \frac{12400 \ eV \cdot \mathring{A}}{2.5 \ eV} = 4960 \ \mathring{A}$.
चूंकि फोटो-डायोड केवल थ्रेशोल्ड तरंगदैर्ध्य से कम या उसके बराबर तरंगदैर्ध्य $(\lambda \leq \lambda_{max})$ का पता लगा सकता है,इसलिए यह $4960 \ \mathring{A}$ तक की तरंगदैर्ध्य का पता लगा सकता है।
अतः,यह $4000 \ \mathring{A}$ तरंगदैर्ध्य का पता लगा सकता है।

(B) $Vidicon$ एक प्रकार की वीडियो कैमरा ट्यूब है जो फोटोकंडक्टिविटी (प्रकाश संवेदनशीलता) के सिद्धांत पर कार्य करती है।
इसमें एक फोटोकंडक्टिव लक्ष्य का उपयोग किया जाता है जो प्रकाश के संपर्क में आने पर अपने विद्युत प्रतिरोध को बदल देता है।
एक इलेक्ट्रॉन बीम लक्ष्य को स्कैन करती है,और चालकता में परिवर्तन छवि के अनुरूप एक आवेश पैटर्न बनाता है,जिसे बाद में विद्युत संकेत में परिवर्तित कर दिया जाता है।

(D) बैंड गैप के पार एक इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक फोटॉन की ऊर्जा $E = h\nu$ द्वारा दी जाती है।
न्यूनतम आवृत्ति $\nu$ के लिए,फोटॉन की ऊर्जा बैंड गैप ऊर्जा $E_g$ के बराबर होनी चाहिए।
दिया गया है $E_g = 2.0\, eV$।
हम जानते हैं कि $1\, eV = 1.6 \times 10^{-19}\, J$,इसलिए $E_g = 2.0 \times 1.6 \times 10^{-19} = 3.2 \times 10^{-19}\, J$।
$E = h\nu$ संबंध का उपयोग करते हुए,हमारे पास $\nu = \frac{E_g}{h}$ है।
$h = 6.63 \times 10^{-34}\, J\cdot s$ का मान रखने पर:
$\nu = \frac{3.2 \times 10^{-19}}{6.63 \times 10^{-34}} \approx 0.482 \times 10^{15}\, Hz$।
$\nu \approx 4.82 \times 10^{14}\, Hz$।
इस मान को पूर्णांकित करने पर,हमें $\nu \approx 5 \times 10^{14}\, Hz$ प्राप्त होता है।

(C) बैंड गैप के पार इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक फोटॉन की ऊर्जा $E_g = 2.5 \, eV$ है।
फोटोडायोड द्वारा सिग्नल का पता लगाने के लिए,आपतित फोटॉन की ऊर्जा $(E = \frac{hc}{\lambda})$ बैंड गैप ऊर्जा $(E_g)$ से अधिक या उसके बराबर होनी चाहिए।
अतः,$\frac{12400 \, eV \cdot \mathring{A}}{\lambda} \geq 2.5 \, eV$.
थ्रेशोल्ड तरंगदैर्ध्य की गणना करने पर,$\lambda_{max} = \frac{12400}{2.5} \, \mathring{A} = 4960 \, \mathring{A}$.
$4960 \, \mathring{A}$ से कम या उसके बराबर तरंगदैर्ध्य वाले किसी भी सिग्नल का पता लगाया जा सकता है।
दिए गए विकल्पों में से,$4000 \, \mathring{A}$ ही एकमात्र तरंगदैर्ध्य है जो $4960 \, \mathring{A}$ से कम है।

(A) ग्राफ में दिखाया गया $V-I$ अभिलक्षण वक्र एक सौर सेल की विशेषता है।
इस ग्राफ में,$V$-अक्ष वोल्टेज को दर्शाता है और $I$-अक्ष करंट को दर्शाता है।
बिंदु $A$,$V$-अक्ष पर स्थित है जहाँ करंट $I = 0$ है,जो ओपन सर्किट वोल्टेज $(V_{OC})$ के अनुरूप है।
बिंदु $B$,$I$-अक्ष पर स्थित है जहाँ वोल्टेज $V = 0$ है,जो शॉर्ट सर्किट करंट $(I_{SC})$ के अनुरूप है।
इसलिए,ग्राफ एक सौर सेल के $V-I$ अभिलक्षण को दर्शाता है जहाँ $A$ ओपन सर्किट वोल्टेज है और $B$ शॉर्ट सर्किट करंट है।

(A) विद्युतचुंबकीय तरंग का औसत ऊर्जा घनत्व $U_{av} = \frac{1}{2} \varepsilon_{0} E_{0}^{2}$ द्वारा दिया जाता है,जहाँ $E_{0}$ विद्युत क्षेत्र का आयाम है।
बिंदु स्रोत से $r$ दूरी पर तीव्रता $I = \frac{P}{4 \pi r^{2}}$ होती है।
साथ ही,तीव्रता और ऊर्जा घनत्व के बीच संबंध $I = U_{av} \times c$ है,जहाँ $c$ प्रकाश की गति है।
तीव्रता के लिए दोनों समीकरणों की तुलना करने पर: $\frac{P}{4 \pi r^{2}} = \frac{1}{2} \varepsilon_{0} E_{0}^{2} c$.
$E_{0}^{2}$ के लिए पुनर्व्यवस्थित करने पर: $E_{0}^{2} = \frac{2P}{4 \pi r^{2} \varepsilon_{0} c} = \frac{2P}{r^{2}} \times \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \times \frac{1}{c}$.
दिया गया है $P = 0.1 \ W$,$r = 1 \ m$,$\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} = 9 \times 10^{9} \ N \ m^{2} \ C^{-2}$,और $c = 3 \times 10^{8} \ m/s$.
$E_{0}^{2} = \frac{2 \times 0.1}{1^{2}} \times (9 \times 10^{9}) \times \frac{1}{3 \times 10^{8}} = 0.2 \times 3 \times 10 = 6$.
$E_{0} = \sqrt{6} \approx 2.45 \ V \ m^{-1}$.

(B) $LED$ एक अग्र-अभिनत (forward-biased) $p-n$ जंक्शन डायोड है जो विद्युत धारा प्रवाहित होने पर प्रकाश उत्सर्जित करता है। उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा $E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$ द्वारा दी जाती है। चूंकि $E = eV$,जहाँ $V$ थ्रेशोल्ड वोल्टेज है,हमारे पास $eV = \frac{hc}{\lambda}$ है,जिसका अर्थ है $V \propto \frac{1}{\lambda}$। चूंकि आवृत्ति $\nu$ और तरंगदैर्ध्य $\lambda$ के बीच संबंध $\nu = \frac{c}{\lambda}$ है,इसलिए $V \propto \nu$ होता है। उच्च आवृत्ति वाले प्रकाश (जैसे नीला) के लिए कम आवृत्ति वाले प्रकाश (जैसे लाल) की तुलना में उच्च थ्रेशोल्ड वोल्टेज की आवश्यकता होती है। इसलिए,एक दी गई धारा के लिए,आवश्यक वोल्टेज $R < Y < G < B$ के क्रम में बढ़ता है। वह ग्राफ जो इस अग्र-अभिनत विशेषता को सही ढंग से दर्शाता है जहाँ थ्रेशोल्ड वोल्टेज आवृत्ति के साथ बढ़ता है,वही सही उत्तर है।

(A) फोटोडायोड एक विशेष प्रकार का $p-n$ जंक्शन डायोड है जिसे एक पारदर्शी खिड़की के साथ बनाया जाता है ताकि प्रकाश डायोड पर पड़ सके। इसे रिवर्स बायस में संचालित किया जाता है।
जब फोटोडायोड को प्रकाश ($h
u > E_g$ ऊर्जा वाले फोटॉन) से प्रकाशित किया जाता है,तो अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न होते हैं।
रिवर्स बायस में,करंट मुख्य रूप से माइनॉरिटी कैरियर के कारण होता है। फोटो-इफेक्ट के कारण इस छोटे रिवर्स करंट में होने वाला आंशिक परिवर्तन महत्वपूर्ण और आसानी से मापने योग्य होता है।
इसके विपरीत,फॉरवर्ड बायस करंट मेजॉरिटी कैरियर द्वारा नियंत्रित होता है,जो पहले से ही बड़ी संख्या में मौजूद होते हैं। फॉरवर्ड बायस में फोटो-इफेक्ट के कारण होने वाला आंशिक परिवर्तन बहुत छोटा होता है और इसे पता लगाना कठिन होता है।
इस प्रकार,दोनों कथन सत्य हैं,और कथन $-II$ सही ढंग से बताता है कि फोटोडायोड को रिवर्स बायस में क्यों संचालित किया जाता है।

(A) फोटोडायोड एक विशेष प्रकार का $p-n$ जंक्शन डायोड है जिसे एक पारदर्शी खिड़की के साथ बनाया जाता है ताकि प्रकाश डायोड पर पड़ सके। इसे रिवर्स बायस स्थितियों में संचालित किया जाता है।
जब फोटोडायोड को प्रकाश ($h
u > E_g$ ऊर्जा वाले फोटॉन) से प्रकाशित किया जाता है,तो डिप्लेशन क्षेत्र के पास इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न होते हैं। डिप्लेशन क्षेत्र के विद्युत क्षेत्र के कारण,इलेक्ट्रॉन और होल पुनर्संयोजन (recombine) होने से पहले अलग हो जाते हैं। विद्युत क्षेत्र की दिशा ऐसी होती है कि इलेक्ट्रॉन $n$-साइड पर और होल $p$-साइड पर पहुँचते हैं,जिससे विद्युत धारा उत्पन्न होती है।
$p-n$ जंक्शन में रिवर्स बायस करंट मुख्य रूप से माइनॉरिटी चार्ज कैरियर के कारण होता है। इस करंट का परिमाण बहुत कम होता है। जब जंक्शन पर प्रकाश पड़ता है,तो माइनॉरिटी कैरियर की संख्या काफी बढ़ जाती है,जिससे रिवर्स करंट में बड़ा आंशिक परिवर्तन होता है। इसके विपरीत,फॉरवर्ड बायस करंट मेजॉरिटी कैरियर द्वारा नियंत्रित होता है,जो पहले से ही बड़ी संख्या में मौजूद होते हैं। इसलिए,प्रकाश के कारण फॉरवर्ड करंट में आंशिक परिवर्तन नगण्य होता है और इसे मापना कठिन होता है।
अतः,कथन $-1$ सत्य है,कथन $-2$ सत्य है,और कथन $-2$ कथन $-1$ की सही व्याख्या है।

(B) जब $8 \ V$ का धनात्मक वोल्टेज लगाया जाता है,तो हरा $LED$ फॉरवर्ड-बायस होता है और धारा प्रवाहित करता है,जबकि लाल $LED$ रिवर्स-बायस होता है।
परिपथ से प्रवाहित होने वाली धारा $I$ ओम के नियम द्वारा दी जाती है:
$I = \frac{V_{source} - V_{LED}}{R}$
यहाँ $I = 20 \ mA = 20 \times 10^{-3} \ A$,$V_{source} = 8 \ V$,और $V_{LED} = 2 \ V$ दिया गया है:
$20 \times 10^{-3} = \frac{8 - 2}{R}$
$R = \frac{6 \ V}{20 \times 10^{-3} \ A} = \frac{6000}{20} \ \Omega = 300 \ \Omega$
लाल $LED$ पर रिवर्स वोल्टेज $2 \ V$ है,जो इसके रिवर्स ब्रेकडाउन वोल्टेज $3 \ V$ से कम है,इसलिए यह सुरक्षित है।

(D) $LED$ द्वारा उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा अर्धचालक पदार्थ के ऊर्जा बैंड अंतराल $E_g$ के लगभग बराबर होती है।
ऊर्जा और तरंग दैर्ध्य के बीच का संबंध $E_g = \frac{hc}{\lambda}$ द्वारा दिया जाता है।
दृश्य प्रकाश स्पेक्ट्रम की तरंग दैर्ध्य लगभग $400 \, nm$ से $700 \, nm$ ($4 \times 10^{-7} \, m$ से $7 \times 10^{-7} \, m$) के बीच होती है।
जब $\lambda = 700 \, nm$ $(7 \times 10^{-7} \, m)$ हो,तब:
$E_g = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{7 \times 10^{-7}} \approx 1.77 \, eV$.
जब $\lambda = 400 \, nm$ $(4 \times 10^{-7} \, m)$ हो,तब:
$E_g = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{4 \times 10^{-7}} \approx 3.1 \, eV$.
अतः,$LED$ को दृश्य प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए ऊर्जा बैंड अंतराल $1.7 \, eV$ से $3.0 \, eV$ की सीमा में होना चाहिए।

(B) फोटो सेल (या फोटोडायोड) प्रकाश विद्युत प्रभाव (photoelectric effect) के सिद्धांत पर कार्य करता है। जब प्रकाश प्रकाश-संवेदी सतह पर पड़ता है,तो यह इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है। उत्सर्जित फोटोइलेक्ट्रॉनों की संख्या आपतित प्रकाश की तीव्रता के सीधे समानुपाती होती है। फोटोकरंट को मापकर,हम प्रकाश की तीव्रता निर्धारित कर सकते हैं। इसलिए,फोटो सेल का उपयोग प्रकाश की तीव्रता को मापने के लिए किया जाता है।

(A) $LED$ को एक प्रतिरोध $R$ और $6\,V$ की बैटरी के साथ श्रेणीक्रम में जोड़ा गया है।
चूंकि $LED$ और प्रतिरोध श्रेणीक्रम में हैं,इसलिए दोनों से प्रवाहित होने वाली धारा समान है,$I = 10\,mA = 10 \times 10^{-3}\,A$.
$LED$ के सिरों पर वोल्टेज ड्रॉप $V_{LED} = 2\,V$ है।
बैटरी का कुल वोल्टेज $V = 6\,V$ है।
किरचॉफ के वोल्टेज नियम के अनुसार,प्रतिरोध $R$ के सिरों पर वोल्टेज ड्रॉप $V_R = V - V_{LED} = 6\,V - 2\,V = 4\,V$ होगा।
ओम के नियम का उपयोग करते हुए,$V_R = I \times R$,हमें $R = \frac{V_R}{I}$ प्राप्त होता है।
मान रखने पर: $R = \frac{4\,V}{10 \times 10^{-3}\,A} = 0.4 \times 10^3\,\Omega = 400\,\Omega$.
चूंकि $1\,k\Omega = 1000\,\Omega$ होता है,इसलिए $400\,\Omega = 0.4\,k\Omega$ होगा।

(C) प्रकाश की तीव्रता का पता लगाने के लिए हम पश्च अभिनति (reverse bias) में फोटोडायोड का उपयोग करते हैं।
जब एक फोटोडायोड पश्च अभिनति में होता है,तो अग्र अभिनति की तुलना में अवक्षय परत (depletion layer) की चौड़ाई बढ़ जाती है और डायोड के माध्यम से एक छोटा रिवर्स करंट (डार्क करंट) प्रवाहित होता है।
जब जंक्शन पर प्रकाश आपतित होता है,तो चौड़ी अवक्षय परत के कारण इसमें बड़ी मात्रा में इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न होते हैं। ये आवेश वाहक आसानी से अवरोध को पार कर सकते हैं,जिससे डायोड में करंट का योगदान होता है।
इसलिए,पश्च अभिनति में,डायोड आपतित प्रकाश को करंट में अधिक प्रभावी ढंग से परिवर्तित करता है क्योंकि अवक्षय परत चौड़ी होती है,जिससे अग्र अभिनति करंट की तुलना में फोटोकरंट महत्वपूर्ण हो जाता है।

(A) लाइट एमिटिंग डायोड $(LED)$ एक फॉरवर्ड बायस्ड $P-N$ जंक्शन है जो प्रकाश उत्सर्जित करता है।
$LED$ पर वोल्टेज ड्रॉप $V_{LED} = 2\,V$ है।
बैटरी का वोल्टेज $V_{battery} = 6\,V$ है।
लिमिटिंग रेजिस्टर $R$ पर वोल्टेज $V_R = V_{battery} - V_{LED} = 6\,V - 2\,V = 4\,V$ होगा।
परिपथ में प्रवाहित धारा $I = 10\,mA = 10 \times 10^{-3}\,A = 0.01\,A$ है।
ओम के नियम के अनुसार,$V_R = I \times R$,इसलिए $R = V_R / I$।
$R = 4\,V / 0.01\,A = 400\,\Omega$।
चूंकि $1\,k\Omega = 1000\,\Omega$ होता है,इसलिए $R = 400 / 1000 = 0.4\,k\Omega$ प्राप्त होता है।

(C) $1$. फोटोडायोड ऑप्टिकल संकेतों का पता लगाने के लिए रिवर्स बायस में संचालित होता है। अतः,विकल्प $A$ गलत है।
$2$. $LED$ (लाइट एमिटिंग डायोड) प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए फॉरवर्ड बायस में कार्य करता है। अतः,विकल्प $B$ गलत है।
$3$. $GaAs$ (गैलियम आर्सेनाइड) का बैंड गैप लगभग $1.5 \ eV$ होता है,जो $Si$ $(1.1 \ eV)$ की तुलना में सौर ऊर्जा रूपांतरण के लिए आदर्श है। इसका अवशोषण गुणांक भी अधिक होता है। अतः,विकल्प $C$ सही है।
$4$. जेनर डायोड की डोपिंग बहुत अधिक होती है ताकि वह एक सटीक ब्रेकडाउन वोल्टेज पर कार्य कर सके। अतः,विकल्प $D$ गलत है।

(D) बैंड गैप में इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक फोटॉन की ऊर्जा $E = h\nu$ द्वारा दी जाती है,जहाँ $E$ बैंड गैप ऊर्जा है,$h$ प्लांक नियतांक है और $\nu$ आवृत्ति है।
दिया गया है,$E = 2.0\, eV = 2.0 \times 1.6 \times 10^{-19}\, J = 3.2 \times 10^{-19}\, J$.
प्लांक नियतांक $h \approx 6.63 \times 10^{-34}\, J\cdot s$.
न्यूनतम आवृत्ति $\nu = E / h$ द्वारा प्राप्त होती है।
$\nu = (3.2 \times 10^{-19}) / (6.63 \times 10^{-34}) \approx 0.4826 \times 10^{15}\, Hz$.
$\nu \approx 4.83 \times 10^{14}\, Hz$.
निकटतम विकल्प के अनुसार,$\nu \approx 5 \times 10^{14}\, Hz$ प्राप्त होता है।

(B) सौर सेल अर्धचालक उपकरण हैं जो फोटोवोल्टिक प्रभाव के माध्यम से प्रकाश ऊर्जा को सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। हालांकि सौर विकिरण एक व्यापक स्पेक्ट्रम को कवर करता है,सिलिकॉन-आधारित सौर सेल की दक्षता सौर स्पेक्ट्रम के दृश्य और निकट-अवरक्त क्षेत्रों के लिए सबसे अधिक होती है। विशेष रूप से,अवरक्त तरंगें सौर प्रौद्योगिकियों में तापीय और ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रियाओं में महत्वपूर्ण योगदान देती हैं। इसलिए,दिए गए विकल्पों में से विकल्प $(b)$ सबसे उपयुक्त है।

(A) उत्सर्जित प्रकाश की तरंगदैर्ध्य $\lambda$ को निम्नलिखित संबंध द्वारा ज्ञात किया जाता है:
$\lambda = \frac{hc}{E_g}$
जहाँ $h = 6.63 \times 10^{-34} \, J \cdot s$ प्लांक नियतांक है,$c = 3 \times 10^8 \, m/s$ प्रकाश की गति है,और $E_g$ ऊर्जा अंतराल है।
दिया गया है $E_g = 1.9 \, eV = 1.9 \times 1.6 \times 10^{-19} \, J$।
मान रखने पर:
$\lambda = \frac{6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{1.9 \times 1.6 \times 10^{-19}} \, m$
$\lambda \approx \frac{19.89 \times 10^{-26}}{3.04 \times 10^{-19}} \, m$
$\lambda \approx 6.54 \times 10^{-7} \, m$
$\lambda \approx 654 \times 10^{-9} \, m = 654 \, nm$।
दिए गए विकल्पों के निकटतम मान के अनुसार,तरंगदैर्ध्य $650 \, nm$ है।

(A) फोटो-डायोड एक रिवर्स-बायस्ड $p-n$ जंक्शन डायोड होता है। $p-n$ जंक्शन पर एक जंक्शन विद्युत क्षेत्र मौजूद होता है जो संतुलन की स्थिति में आवेश वाहकों को जंक्शन के पार प्रवाहित होने की अनुमति नहीं देता है।
जब ऐसे $p-n$ डायोड को $h
u > E_{g}$ ऊर्जा वाले प्रकाश फोटॉनों से प्रकाशित किया जाता है,तो डिप्लीशन परत में (या जंक्शन के पास) इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न होते हैं। ये आवेश वाहक जंक्शन क्षेत्र द्वारा अलग हो जाते हैं और जंक्शन के पार प्रवाहित होते हैं,जिसके परिणामस्वरूप रिवर्स सैचुरेशन करंट में परिवर्तन होता है।
चूंकि रिवर्स करंट इन फोटो-उत्तेजित वाहकों के उत्पादन के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होता है,इसलिए करंट में होने वाला परिवर्तन सीधे आपतित प्रकाश की तीव्रता के समानुपाती होता है। इस प्रकार,यह उपकरण एक फोटो-डिटेक्टर के रूप में कार्य करता है।

(A) डायोड लेजर का उपयोग ऑप्टिकल संचार में व्यापक रूप से किया जाता है क्योंकि वे कॉम्पैक्ट होते हैं,उनकी दक्षता अधिक होती है और उन्हें उच्च आवृत्तियों पर आसानी से मॉड्युलेट किया जा सकता है।
वे गैस लेजर या तापदीप्त बल्ब जैसे अन्य प्रकाश स्रोतों की तुलना में काफी कम ऊर्जा की खपत करते हैं।
चूंकि उच्च दक्षता और कम ऊर्जा की खपत ऑप्टिकल संचार में उनकी प्राथमिकता के मुख्य कारण हैं,इसलिए कारण कथन की सही व्याख्या करता है।

(B) उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा $E = \frac{hc}{\lambda}$ द्वारा दी जाती है।
दिया गया ऊर्जा अंतराल $E_g = 1.9\; eV$ है।
तरंगदैर्ध्य $\lambda$ की गणना $\lambda = \frac{hc}{E_g}$ सूत्र का उपयोग करके की जाती है।
$hc \approx 1240\; eV \cdot nm$ के सन्निकटन का उपयोग करते हुए,हमें प्राप्त होता है:
$\lambda = \frac{1240\; eV \cdot nm}{1.9\; eV} \approx 652.6\; nm$.
दिए गए विकल्पों के अनुसार निकटतम मान लेने पर,$\lambda \approx 654\; nm$ प्राप्त होता है।

(N/A) परिवार द्वारा उपयोग की जाने वाली शक्ति, $P = 8 \; kW = 8 \times 10^{3} \; W$.
प्रति वर्ग मीटर प्राप्त सौर ऊर्जा $= 200 \; W/m^{2}$.
सौर ऊर्जा से विद्युत ऊर्जा में रूपांतरण की दक्षता $= 20 \% = 0.2$.
मान लीजिए कि वांछित बिजली उत्पन्न करने के लिए आवश्यक क्षेत्रफल $A$ है।
उत्पन्न उपयोगी शक्ति इस प्रकार है: $P = \text{दक्षता} \times \text{क्षेत्रफल} \times \text{आपतित सौर ऊर्जा की दर}$.
$8 \times 10^{3} = 0.2 \times A \times 200$.
$8000 = 40 \times A$.
$A = \frac{8000}{40} = 200 \; m^{2}$.
$(b)$ $8 \; kW$ बिजली उत्पन्न करने के लिए आवश्यक सौर पैनल का क्षेत्रफल $200 \; m^{2}$ है। एक सामान्य घर की छत का आयाम लगभग $14 \; m \times 14 \; m = 196 \; m^{2}$ होता है। अतः, आवश्यक क्षेत्रफल एक सामान्य घर की छत के क्षेत्रफल के लगभग बराबर है。

(N/A) $n$-प्रकार के अर्धचालक के मामले पर विचार करें। स्पष्ट रूप से,बहुसंख्यक वाहक घनत्व $(n)$ अल्पसंख्यक होल घनत्व $(p)$ की तुलना में काफी अधिक होता है (अर्थात,$n \gg p$)। प्रकाश पड़ने पर,उत्पन्न अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों और होलों को क्रमशः $\Delta n$ और $\Delta p$ मान लें:
$n^{\prime} = n + \Delta n$
$p^{\prime} = p + \Delta p$
यहाँ,$n^{\prime}$ और $p^{\prime}$ किसी विशेष रोशनी पर इलेक्ट्रॉन और होल सांद्रता हैं,और $n$ और $p$ बिना रोशनी वाली स्थिति में वाहक सांद्रता हैं। याद रखें कि $\Delta n = \Delta p$ और $n \gg p$ है।
अतः,बहुसंख्यक वाहकों में भिन्नात्मक परिवर्तन (अर्थात,$\Delta n / n$) अल्पसंख्यक वाहकों (अर्थात,$\Delta p / p$) की तुलना में बहुत कम होगा। सामान्य तौर पर,हम कह सकते हैं कि अल्पसंख्यक वाहक-प्रधान रिवर्स बायस धारा पर फोटो-प्रभावों के कारण होने वाला भिन्नात्मक परिवर्तन,फॉरवर्ड बायस धारा में होने वाले परिवर्तन की तुलना में अधिक आसानी से मापने योग्य होता है। इसलिए,प्रकाश की तीव्रता को मापने के लिए फोटोडायोड को अधिमानतः रिवर्स बायस स्थिति में उपयोग किया जाता है।

(N/A) हमारे द्वारा प्राप्त सौर विकिरण स्पेक्ट्रम को चित्र में दिखाया गया है।
अधिकतम मान $1.5 \, eV$ के निकट है। फोटो-एक्साइटेशन के लिए,$h\nu > E_g$ होना आवश्यक है। इसलिए,$1.5 \, eV$ या उससे कम बैंड गैप वाला अर्धचालक बेहतर सौर रूपांतरण दक्षता देने की संभावना रखता है। सिलिकॉन $(Si)$ का $E_g \sim 1.1 \, eV$ है जबकि $GaAs$ के लिए यह $1.53 \, eV$ है।
वास्तव में,$GaAs$ (अपने उच्च बैंड गैप के बावजूद) $Si$ से बेहतर है क्योंकि इसका अवशोषण गुणांक अपेक्षाकृत अधिक है। यदि हम $CdS$ या $CdSe$ $(E_g \sim 2.4 \, eV)$ जैसी सामग्री चुनते हैं,तो हम फोटो-रूपांतरण के लिए सौर ऊर्जा के केवल उच्च-ऊर्जा घटक का उपयोग कर सकते हैं और ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बेकार हो जाएगा।
प्रश्न उठता है: हम $PbS$ $(E_g \sim 0.4 \, eV)$ जैसी सामग्री का उपयोग क्यों नहीं करते जो सौर विकिरण स्पेक्ट्रा के अनुरूप $\nu$ अधिकतम के लिए $h\nu > E_g$ की शर्त को पूरा करती है? यदि हम ऐसा करते हैं,तो अधिकांश सौर विकिरण सौर सेल की ऊपरी परत पर अवशोषित हो जाएगा और रिक्तीकरण (depletion) क्षेत्र में या उसके पास नहीं पहुँचेगा। जंक्शन क्षेत्र के कारण प्रभावी इलेक्ट्रॉन-होल पृथक्करण के लिए,हम चाहते हैं कि फोटो-जनरेशन केवल जंक्शन क्षेत्र में ही हो।

(NO) दिए गए फोटोडायोड का ऊर्जा बैंड गैप $E_g = 2.8 \; eV$ है।
आपतित प्रकाश की तरंगदैर्ध्य $\lambda = 6000 \; nm = 6000 \times 10^{-9} \; m$ है।
एक फोटॉन की ऊर्जा $E = \frac{hc}{\lambda}$ संबंध द्वारा दी जाती है।
$h = 6.626 \times 10^{-34} \; Js$ और $c = 3 \times 10^8 \; m/s$ का उपयोग करने पर:
$E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{6000 \times 10^{-9}} \; J = 3.313 \times 10^{-20} \; J$.
इस ऊर्जा को इलेक्ट्रॉन-वोल्ट $(eV)$ में बदलने पर:
$E = \frac{3.313 \times 10^{-20}}{1.6 \times 10^{-19}} \; eV \approx 0.207 \; eV$.
चूंकि आपतित फोटॉन की ऊर्जा $(0.207 \; eV)$ फोटोडायोड के बैंड गैप $(2.8 \; eV)$ से कम है,इसलिए फोटोडायोड $6000 \; nm$ तरंगदैर्ध्य के सिग्नल का पता नहीं लगा सकता है।

(N/A) ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण वे अर्धचालक उपकरण हैं जो प्रकाश और अर्धचालक पदार्थों की परस्पर क्रिया के आधार पर प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में या इसके विपरीत परिवर्तित करते हैं।
प्रमुख ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण निम्नलिखित हैं:
$(1)$ फोटोडायोड: इनका उपयोग ऑप्टिकल संकेतों का पता लगाने के लिए किया जाता है (फोटोडिटेक्टर्स)।
$(2)$ लाइट एमिटिंग डायोड $(LED)$: ये उपकरण विद्युत ऊर्जा को प्रकाश ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।
$(3)$ फोटोवोल्टिक उपकरण: ये ऑप्टिकल विकिरण को बिजली में परिवर्तित करते हैं (उदाहरण के लिए,सौर सेल)।

(N/A) फोटोडायोड एक विशेष प्रयोजन वाला $p-n$ जंक्शन डायोड है।
इसे एक पारदर्शी खिड़की के साथ बनाया जाता है ताकि प्रकाश डायोड पर गिर सके।
जब फोटोडायोड को अर्धचालक के ऊर्जा अंतराल $(E_g)$ से अधिक ऊर्जा $(h\nu)$ वाले प्रकाश (फोटॉन) से प्रकाशित किया जाता है,तो फोटॉन के अवशोषण के कारण इलेक्ट्रॉन-होल $(e-h)$ जोड़े उत्पन्न होते हैं।
रिवर्स बायस में प्रकाशित फोटोडायोड को चित्र में दिखाया गया है।
डायोड को इस तरह से बनाया जाता है कि $(e-h)$ जोड़ों का निर्माण डायोड के अवक्षय क्षेत्र (depletion region) में या उसके पास हो।
जंक्शन के विद्युत क्षेत्र के कारण,इलेक्ट्रॉन और होल पुनर्संयोजन (recombination) से पहले अलग हो जाते हैं।
विद्युत क्षेत्र की दिशा ऐसी होती है कि इलेक्ट्रॉन $n$-साइड पर और होल $p$-साइड पर पहुँच जाते हैं।
इलेक्ट्रॉन $n$-साइड पर और होल $p$-साइड पर एकत्रित होते हैं,जिससे एक विद्युत वाहक बल $(emf)$ उत्पन्न होता है। जब एक बाहरी लोड जोड़ा जाता है,तो परिपथ में धारा प्रवाहित होती है।
फोटोकरंट का परिमाण आपतित प्रकाश की तीव्रता पर निर्भर करता है; फोटोकरंट आपतित प्रकाश की तीव्रता के समानुपाती होता है।
जब रिवर्स बायस लगाया जाता है,तो प्रकाश की तीव्रता में परिवर्तन के साथ धारा में महत्वपूर्ण परिवर्तन होता है।

(N/A) संरचना: $LED$ एक अत्यधिक डोपित (heavily doped) $p-n$ जंक्शन डायोड है। इसे एक पारदर्शी आवरण में बंद किया जाता है ताकि उत्सर्जित प्रकाश बाहर निकल सके। यह अग्र अभिनति (forward bias) में कार्य करता है।
कार्यप्रणाली: जब डायोड को अग्र अभिनति दी जाती है,तो इलेक्ट्रॉन $n$-क्षेत्र से $p$-क्षेत्र में और कोटर (holes) $p$-क्षेत्र से $n$-क्षेत्र में इंजेक्ट होते हैं। जंक्शन सीमा के पास इन अल्पसंख्यक वाहकों (minority carriers) की सांद्रता बढ़ जाती है। ये अतिरिक्त अल्पसंख्यक वाहक जंक्शन के पास बहुसंख्यक वाहकों के साथ पुनर्संयोजन (recombination) करते हैं। इस पुनर्संयोजन के दौरान,ऊर्जा फोटॉन के रूप में मुक्त होती है। उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा बैंड गैप ऊर्जा $(E_g)$ के बराबर या उससे थोड़ी कम होती है। जैसे-जैसे अग्र धारा बढ़ती है,प्रकाश की तीव्रता बढ़ती है,अधिकतम तक पहुँचती है,और फिर तापीय प्रभावों के कारण कम हो जाती है।
उपयोग: $LED$ का उपयोग रिमोट कंट्रोल,ऑप्टिकल संचार,ट्रैफिक सिग्नल,सजावटी प्रकाश व्यवस्था और डिस्प्ले में किया जाता है।
लाभ: $LED$ कम परिचालन वोल्टेज पर कार्य करते हैं,इनकी प्रतिक्रिया तीव्र होती है,इन्हें गर्म होने के लिए समय की आवश्यकता नहीं होती,इनका जीवनकाल लंबा होता है,ये मजबूत होते हैं और विभिन्न रंगों में उपलब्ध हैं।

(N/A) सौर सेल मूल रूप से एक $p-n$ जंक्शन है जो $emf$ उत्पन्न करता है जब सौर विकिरण जंक्शन पर गिरता है। सौर सेल के लिए केवल सूर्य का प्रकाश ही आवश्यक नहीं है, बल्कि प्रकाश के फोटॉन की ऊर्जा जो अर्धचालक की बैंड गैप ऊर्जा $(E_{g})$ से अधिक हो, वह भी फोटोवोल्टेज उत्पन्न कर सकती है। सौर सेल की कार्यप्रणाली फोटोवोल्टिक प्रभाव पर आधारित है, जो फोटोडायोड के समान है, लेकिन इसमें बाहरी बैटरी की आवश्यकता नहीं होती है।
संरचना:
$1$. लगभग $300 \mu m$ मोटाई की एक $p-Si$ वेफर ली जाती है।
$2$. एक तरफ विसरण (diffusion) प्रक्रिया द्वारा $n-Si$ की एक पतली परत $(\, 0.3 \mu m)$ उगाई जाती है, जिससे $p-n$ जंक्शन बनता है।
$3$. $p-Si$ वेफर के निचले हिस्से पर धातु की कोटिंग की जाती है जो 'बैक कांटेक्ट' के रूप में कार्य करती है।
$4$. $n-Si$ परत के ऊपर, एक धात्विक ग्रिड (या फिंगर इलेक्ट्रोड) जमा की जाती है जो 'फ्रंट कांटेक्ट' के रूप में कार्य करती है। यह ग्रिड सतह के बहुत छोटे हिस्से $( < 15 \%)$ को कवर करती है ताकि प्रकाश अधिकतम रूप से अंदर आ सके।
कार्यप्रणाली:
सौर सेल द्वारा $emf$ का उत्पादन तीन बुनियादी प्रक्रियाओं के माध्यम से होता है:
$(1)$ जंक्शन के पास प्रकाश अवशोषण के कारण इलेक्ट्रॉन-होल $(e-h)$ जोड़े का निर्माण $(h\nu > E_{g})$।
$(2)$ डिप्लीशन क्षेत्र के विद्युत क्षेत्र के कारण इलेक्ट्रॉनों और होल्स का अलग होना। इलेक्ट्रॉन $n$-साइड की ओर और होल्स $p$-साइड की ओर धकेले जाते हैं।
$(3)$ आवेशों का संग्रह: $n$-साइड पर पहुँचने वाले इलेक्ट्रॉन फ्रंट कांटेक्ट द्वारा और $p$-साइड पर पहुँचने वाले होल्स बैक कांटेक्ट द्वारा एकत्र किए जाते हैं। इससे $p$-साइड धनात्मक और $n$-साइड ऋणात्मक हो जाता है, जिससे फोटोवोल्टेज उत्पन्न होता है।
उपयोग:
सौर सेल का उपयोग कैलकुलेटर, घड़ियों, उपग्रहों और दूरदराज के क्षेत्रों में बिजली उत्पादन के लिए किया जाता है।

(N/A) $1.5 \text{ eV}$ के करीब बैंड गैप वाले अर्धचालक (semiconductors) सौर सेल निर्माण के लिए आदर्श सामग्री हैं।
ये सामग्रियां निम्नलिखित हैं:
$Si$ $(E_{g} = 1.1 \text{ eV})$,
$GaAs$ $(E_{g} = 1.43 \text{ eV})$,
$CdTe$ $(E_{g} = 1.45 \text{ eV})$,
$CuInSe_{2}$ $(E_{g} = 1.04 \text{ eV})$ आदि।
सौर सेल के निर्माण के लिए सही सामग्री चुनने के महत्वपूर्ण मानदंड निम्नलिखित हैं:
$(1)$ बैंड गैप $E_{g}$ लगभग $1.0 \text{ eV}$ से $1.8 \text{ eV}$ के बीच होना चाहिए।
$(2)$ उच्च ऑप्टिकल अवशोषण (optical absorption),लगभग $10^{4} \text{ cm}^{-1}$।
$(3)$ विद्युत चालकता उच्च होनी चाहिए।
$(4)$ कच्चा माल आसानी से उपलब्ध होना चाहिए।
$(5)$ लागत कम होनी चाहिए।

(D) $p-n$ जंक्शन डायोड जिसे संचालित होने के लिए फॉरवर्ड बायस की आवश्यकता नहीं होती है,वह $Solar$ $Cell$ (सौर सेल) है।
$Solar$ $Cell$ एक फोटोवोल्टिक उपकरण है जो सौर ऊर्जा को सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
$LED$ या सामान्य डायोड के विपरीत,जिन्हें कार्य करने के लिए बाहरी वोल्टेज स्रोत (फॉरवर्ड बायस) की आवश्यकता होती है,$Solar$ $Cell$ तब विद्युत वाहक बल $(EMF)$ उत्पन्न करता है जब अर्धचालक पदार्थ की बैंडगैप ऊर्जा से अधिक ऊर्जा वाले प्रकाश के फोटॉन जंक्शन पर गिरते हैं।
इस प्रक्रिया को फोटोवोल्टिक प्रभाव के रूप में जाना जाता है।

(C) $p-n$ जंक्शन डायोड जिसे कार्य करने के लिए किसी भी बाहरी बायस की आवश्यकता नहीं होती है,वह $Solar \ Cell$ (सोलर सेल) है।
सोलर सेल में,अर्धचालक पदार्थ द्वारा प्रकाश (फोटॉन) के अवशोषण के कारण इलेक्ट्रोमोटिव फोर्स $(EMF)$ उत्पन्न होता है।
जब बैंडगैप ऊर्जा $(E_g)$ से अधिक ऊर्जा वाला प्रकाश $p-n$ जंक्शन पर पड़ता है,तो इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न होते हैं।
ये आवेश वाहक जंक्शन के विद्युत क्षेत्र द्वारा अलग हो जाते हैं,जिससे बाहरी वोल्टेज स्रोत की आवश्यकता के बिना उपकरण में विभवांतर उत्पन्न हो जाता है।

(B) फोटोडायोड $p-n$ जंक्शन डायोड का एक विशेष प्रकार है जिसे रिवर्स बायस स्थितियों में काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।
जब अर्धचालक की बैंडगैप ऊर्जा से अधिक ऊर्जा वाला प्रकाश (फोटॉन) जंक्शन पर पड़ता है,तो यह इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न करता है।
ये आवेश वाहक अवक्षय क्षेत्र (depletion region) में विद्युत क्षेत्र द्वारा जंक्शन के पार खींचे जाते हैं,जिससे फोटोकरंट उत्पन्न होता है।
इस गुण के कारण,इसका उपयोग ऑप्टिकल संकेतों को विद्युत संकेतों में बदलने के लिए प्रकाश डिटेक्टर के रूप में किया जाता है।

(N/A) $LED$ (लाइट एमिटिंग डायोड) बनाने में प्रयुक्त अर्धचालक का बैंड गैप आमतौर पर $1.8 \ eV$ से $3.0 \ eV$ की सीमा में होता है।
यह ऊर्जा सीमा प्रकाश के दृश्य स्पेक्ट्रम के अनुरूप है,जिससे $LED$ लाल से लेकर बैंगनी रंग तक का प्रकाश उत्सर्जित कर सकता है।
विशिष्ट बैंड गैप उपयोग किए गए अर्धचालक की सामग्री संरचना (जैसे,गैलियम आर्सेनाइड फॉस्फाइड या गैलियम नाइट्राइड) पर निर्भर करता है।

(N/A) सौर सेल एक ऐसी युक्ति है जो प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है। यह ऊर्जा की खपत करने के बजाय ऊर्जा के स्रोत के रूप में कार्य करती है।
$I-V$ अभिलक्षण ग्राफ में,$V$-अक्ष युक्ति के सिरों पर विभवांतर को दर्शाता है और $I$-अक्ष उससे प्रवाहित होने वाली धारा को दर्शाता है।
सौर सेल के लिए,उत्पन्न धारा $(I)$ युक्ति से बाहर की ओर प्रवाहित होती है,जिसे परिपथ में परंपरा के अनुसार ऋणात्मक माना जाता है,जबकि सिरों पर विभवांतर $(V)$ धनात्मक होता है।
चूंकि धारा ऋणात्मक $(I < 0)$ है और विभवांतर धनात्मक $(V > 0)$ है,इसलिए परिचालन बिंदु कार्तीय निर्देशांक प्रणाली के चौथे चतुर्थांश में स्थित होता है।
यह दर्शाता है कि सौर सेल बाहरी लोड को शक्ति प्रदान कर रहा है।

(N/A) $(i)$ चित्र $(a)$ एक ज़ेनर डायोड की विशेषताएँ दर्शाता है,और चित्र $(b)$ एक सौर सेल (solar cell) की विशेषताएँ दर्शाता है।
$(ii)$ चित्र $(a)$ में बिंदु $P$ रिवर्स ब्रेकडाउन वोल्टेज को दर्शाता है,जिसे ज़ेनर वोल्टेज $(V_Z)$ के रूप में भी जाना जाता है।
$(iii)$ चित्र $(b)$ में बिंदु $P$ ओपन-सर्किट वोल्टेज $(V_{OC})$ को दर्शाता है। यह वह वोल्टेज है जब सौर सेल के माध्यम से शुद्ध धारा शून्य होती है। इस बिंदु पर,लागू वोल्टेज के कारण मिलने वाली फॉरवर्ड धारा,प्रकाश द्वारा उत्पन्न फोटोकरंट को पूरी तरह से रद्द कर देती है।
चित्र $(b)$ में बिंदु $Q$ शॉर्ट-सर्किट करंट $(I_{SC})$ को दर्शाता है। यह वह धारा है जो सौर सेल के माध्यम से बहती है जब उस पर लागू बाहरी वोल्टेज शून्य होता है,जबकि वह प्रकाश के संपर्क में होता है।

(B) एक फोटोडायोड प्रकाश का पता तभी लगा सकता है जब आपतित फोटॉन की ऊर्जा $(E)$,अर्धचालक के बैंड गैप ऊर्जा $(E_g)$ से अधिक हो।
$6000 \ \mathring{A}$ तरंगदैर्ध्य वाले फोटॉन की ऊर्जा:
$E = \frac{hc}{\lambda} = \frac{12400 \ eV \cdot \mathring{A}}{6000 \ \mathring{A}} \approx 2.07 \ eV$.
पता लगाने के लिए,हमें $E > E_g$ की शर्त देखनी होगी:
$1$. $D_1$ के लिए: $E_g = 2.5 \ eV$। चूँकि $2.07 \ eV < 2.5 \ eV$,इसलिए $D_1$ इस प्रकाश का पता नहीं लगा पाएगा।
$2$. $D_2$ के लिए: $E_g = 2.0 \ eV$। चूँकि $2.07 \ eV > 2.0 \ eV$,इसलिए $D_2$ इस प्रकाश का पता लगा पाएगा।
$3$. $D_3$ के लिए: $E_g = 3.0 \ eV$। चूँकि $2.07 \ eV < 3.0 \ eV$,इसलिए $D_3$ इस प्रकाश का पता नहीं लगा पाएगा।
अतः,केवल $D_2$ ही प्रकाश का पता लगाने में सक्षम होगा।