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

(B) सही उत्तर $B$ है।
सौर सेल एक फोटोवोल्टिक उपकरण है जो प्रकाश ऊर्जा को सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
फोटो डायोड या वेरेक्टर डायोड के विपरीत,जिन्हें अपने विशिष्ट मोड में कार्य करने के लिए बाहरी बायस वोल्टेज की आवश्यकता होती है,सौर सेल बिना किसी बाहरी बायस वोल्टेज के $I-V$ विशेषता वक्र के चौथे चतुर्थांश में कार्य करता है।
प्रकाश के संपर्क में आने पर यह अपना स्वयं का विद्युत वाहक बल उत्पन्न करता है।

(D) सही उत्तर $D$ है। $LED$ (लाइट एमिटिंग डायोड) एक भारी डोप किया गया $p-n$ जंक्शन डायोड है,न कि हल्का डोप किया गया। जब इसे फॉरवर्ड बायस किया जाता है,तो इलेक्ट्रॉनों और होल्स का पुनर्संयोजन फोटॉन (प्रकाश) के रूप में ऊर्जा छोड़ता है। विकल्प $A$,$B$ और $C$ अर्धचालक डायोड के संबंध में सही कथन हैं।

(A) $LED$ का ऊर्जा अंतराल $E_g = 2.4 \ eV$ दिया गया है।
इस ऊर्जा को जूल में बदलने के लिए,हम इसे $1.6 \times 10^{-19} \ J/eV$ से गुणा करते हैं:
$E = 2.4 \times 1.6 \times 10^{-19} \ J = 3.84 \times 10^{-19} \ J$.
फोटॉन का संवेग $p$,उसकी ऊर्जा $E$ से सूत्र $p = \frac{E}{c}$ द्वारा संबंधित है,जहाँ $c$ प्रकाश की गति $(3 \times 10^8 \ m/s)$ है।
मान रखने पर:
$p = \frac{3.84 \times 10^{-19}}{3 \times 10^8} \ kg \ ms^{-1}$.
$p = 1.28 \times 10^{-27} \ kg \ ms^{-1}$.
अतः,सही विकल्प $A$ है।

(C) तरंगदैर्ध्य $\lambda$ के संगत फोटॉन की ऊर्जा $E = \frac{1240}{\lambda (nm)} eV$ द्वारा दी जाती है।
$\lambda = 600 nm$ के लिए,आपतित फोटॉन की ऊर्जा $E = \frac{1240}{600} \approx 2.07 eV$ है।
एक फोटोडायोड प्रकाश का पता तभी लगा सकता है जब आपतित फोटॉन की ऊर्जा अर्धचालक पदार्थ के बैंड गैप $(E_{g})$ से अधिक या उसके बराबर हो $(E \ge E_{g})$।
फोटॉन ऊर्जा $(2.07 eV)$ की बैंड गैप के साथ तुलना करने पर:
$D_{1}$ के लिए: $E_{g} = 2.5 eV$। चूंकि $2.07 eV < 2.5 eV$,$D_{1}$ इस प्रकाश का पता नहीं लगा सकता है।
$D_{2}$ के लिए: $E_{g} = 2 eV$। चूंकि $2.07 eV > 2 eV$,$D_{2}$ इस प्रकाश का पता लगा सकता है।
$D_{3}$ के लिए: $E_{g} = 3 eV$। चूंकि $2.07 eV < 3 eV$,$D_{3}$ इस प्रकाश का पता नहीं लगा सकता है।
इसलिए,केवल $D_{2}$ ही $600 nm$ तरंगदैर्ध्य के प्रकाश का पता लगाने में सक्षम होगा।

(C) अर्धचालक का ऊर्जा अंतराल $E_g$ उत्सर्जित प्रकाश की तरंगदैर्ध्य $\lambda$ से इस सूत्र द्वारा संबंधित है: $E_g = \frac{hc}{\lambda}$.
दिया गया है $E_g = 1.9 \ eV$। इसे जूल में बदलने पर: $E_g = 1.9 \times 1.6 \times 10^{-19} \ J$.
$h = 6.6 \times 10^{-34} \ J \cdot s$ और $c = 3 \times 10^8 \ m/s$ मानों का उपयोग करने पर:
$\lambda = \frac{hc}{E_g} = \frac{6.6 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{1.9 \times 1.6 \times 10^{-19}} \ m$.
$\lambda = \frac{19.8 \times 10^{-26}}{3.04 \times 10^{-19}} \ m \approx 6.513 \times 10^{-7} \ m$.
दिए गए विकल्पों के अनुसार,तरंगदैर्ध्य $6.5 \times 10^{-7} \ m$ है।

(C) फोटॉन की ऊर्जा $E = \frac{hc}{\lambda}$ सूत्र द्वारा दी जाती है।
यहाँ बैंड गैप ऊर्जा $E_g = 3 \ eV$ दी गई है।
हम जानते हैं कि $hc \approx 1240 \ eV \cdot nm$ होता है।
मान रखने पर,$\lambda = \frac{hc}{E_g} = \frac{1240 \ eV \cdot nm}{3 \ eV}$ प्राप्त होता है।
$\lambda \approx 413.33 \ nm$।
अतः,यह जिस प्रकाश की तरंगदैर्ध्य का पता लगा सकता है,वह लगभग $413 \ nm$ है।

(C) दृश्य प्रकाश लगभग $380 \, nm$ से $750 \, nm$ की तरंग दैर्ध्य सीमा के अनुरूप होता है।
संबंध $E = \frac{hc}{\lambda}$ का उपयोग करते हुए, जहाँ $h = 6.63 \times 10^{-34} \, J \cdot s$, $c = 3 \times 10^8 \, m/s$, और $1 \, eV = 1.6 \times 10^{-19} \, J$ है।
दृश्य प्रकाश की सबसे लंबी तरंग दैर्ध्य $(\lambda = 750 \, nm)$ के लिए, ऊर्जा $E = \frac{1240 \, eV \cdot nm}{750 \, nm} \approx 1.65 \, eV$ होती है।
व्यावहारिक रूप से, दृश्य प्रकाश को कुशलतापूर्वक उत्सर्जित करने के लिए, दृश्यमान LEDs के निर्माण में प्रयुक्त अर्धचालक पदार्थ का बैंड गैप कम से कम $1.8 \, eV$ होना चाहिए।

(C) इन्फ्रारेड $LED$ आमतौर पर गैलियम आर्सेनाइड $(GaAs)$ का उपयोग करके बनाए जाते हैं। जबकि गैलियम आर्सेनाइड फॉस्फाइड $(GaAsP)$ का उपयोग आमतौर पर दृश्यमान लाल प्रकाश वाले $LED$ के लिए किया जाता है,शुद्ध गैलियम आर्सेनाइड अपनी प्रत्यक्ष बैंडगैप ऊर्जा के कारण इन्फ्रारेड उत्सर्जन के लिए मानक सामग्री है,जो इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम के अनुरूप होती है।

(B) $Photodiode$ एक अर्धचालक उपकरण है जो प्रकाश को विद्युत धारा में परिवर्तित करता है। इसे विशेष रूप से रिवर्स बायस स्थितियों में काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है और इसका उपयोग ऑप्टिकल संकेतों का पता लगाने के लिए व्यापक रूप से किया जाता है।

(D) फोटोडायोड में,फोटोकरंट आपतित प्रकाश की तीव्रता के सीधे समानुपाती होता है। जब बैंडगैप ऊर्जा से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन डिप्लेशन क्षेत्र पर टकराते हैं,तो वे इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े बनाते हैं। उत्पन्न होने वाले ऐसे जोड़ों की संख्या आपतित फोटॉनों की संख्या के समानुपाती होती है,जो प्रकाश की तीव्रता द्वारा निर्धारित होती है।

(B) फोटोडायोड एक अर्धचालक उपकरण है जो प्रकाश को विद्युत धारा में परिवर्तित करता है।
जब अर्धचालक की बैंडगैप ऊर्जा से अधिक ऊर्जा वाला प्रकाश $p-n$ जंक्शन पर गिरता है,तो इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न होते हैं।
उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ों की संख्या आपतित फोटॉनों की संख्या के सीधे आनुपातिक होती है।
चूंकि प्रकाश की तीव्रता को प्रति इकाई समय में प्रति इकाई क्षेत्रफल पर आपतित फोटॉनों की संख्या के रूप में परिभाषित किया जाता है,इसलिए उत्पन्न फोटोकरंट (और ओपन-सर्किट स्थितियों में परिणामी $emf$) आपतित प्रकाश की तीव्रता के सीधे आनुपातिक होता है।

(C) विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम का दृश्य क्षेत्र लगभग $400 \ nm$ से $700 \ nm$ की तरंग दैर्ध्य के बीच होता है। फोटॉन की ऊर्जा $E$ को $E = \frac{hc}{\lambda}$ द्वारा दिया जाता है।
$\lambda = 700 \ nm = 700 \times 10^{-9} \ m$ के लिए:
$E_{\min} = \frac{6.6 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{700 \times 10^{-9} \times 1.6 \times 10^{-19}} \ eV \approx 1.77 \ eV$.
$\lambda = 400 \ nm = 400 \times 10^{-9} \ m$ के लिए:
$E_{\max} = \frac{6.6 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{400 \times 10^{-9} \times 1.6 \times 10^{-19}} \ eV \approx 3.1 \ eV$.
अतः,$LED$ द्वारा दृश्य प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा बैंड अंतराल $1.7 \ eV$ से $3.1 \ eV$ की सीमा में होता है। सही विकल्प $(c)$ है।

(D) फोटॉन की ऊर्जा $E = \frac{hc}{\lambda}$ द्वारा दी जाती है।
$p-n$ जंक्शन के लिए सिग्नल का पता लगाने हेतु,आपतित फोटॉन की ऊर्जा बैंड गैप ऊर्जा $(E_g = 2.8 \ eV)$ से अधिक या उसके बराबर होनी चाहिए।
यदि $E < E_g$ है,तो फोटॉन वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित नहीं कर सकता है,और इसलिए इसका पता नहीं लगाया जा सकता है।
$h = 6 \times 10^{-34} \ J \cdot s$ और $c = 3 \times 10^8 \ m/s$ का उपयोग करने पर,हमें $hc = 18 \times 10^{-26} \ J \cdot m$ प्राप्त होता है।
$E_g$ को जूल में बदलने पर: $2.8 \ eV = 2.8 \times 1.6 \times 10^{-19} \ J = 4.48 \times 10^{-19} \ J$.
थ्रेशोल्ड तरंगदैर्ध्य $\lambda_0 = \frac{hc}{E_g} = \frac{18 \times 10^{-26}}{4.48 \times 10^{-19}} \approx 4.017 \times 10^{-7} \ m = 401.7 \ \text{nm}$.
कोई भी तरंगदैर्ध्य $\lambda > \lambda_0$ के लिए ऊर्जा $E < E_g$ होगी और इसका पता नहीं लगाया जा सकेगा।
दिए गए विकल्पों में से,$600 \ nm$ ही एकमात्र तरंगदैर्ध्य है जो $401.7 \ nm$ से अधिक है।

(B) उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा $E = \frac{hc}{\lambda}$ संबंध द्वारा दी जाती है।
यहाँ ऊर्जा अंतराल $E = 1.9 \ eV$ दिया गया है।
हम जानते हैं कि $hc \approx 1240 \ eV \cdot nm$ होता है।
अतः,तरंगदैर्ध्य $\lambda = \frac{hc}{E} = \frac{1240 \ eV \cdot nm}{1.9 \ eV} \approx 652.6 \ nm$ है।
लाल प्रकाश के लिए तरंगदैर्ध्य की सीमा लगभग $620 \ nm$ से $750 \ nm$ होती है।
चूंकि $652.6 \ nm$ इस सीमा के भीतर आता है,इसलिए $LED$ द्वारा उत्सर्जित प्रकाश का रंग लाल है।

(D) $LED$ (लाइट एमिटिंग डायोड) एक $p-n$ जंक्शन डायोड है जो फॉरवर्ड बायस में होने पर प्रकाश उत्सर्जित करता है।
$LED$ की मुख्य विशेषताएं इस प्रकार हैं:
$1$. ये इनकैंडेसेंट बल्बों की तुलना में कम वोल्टेज पर काम करते हैं।
$2$. इन्हें किसी वार्म-अप समय की आवश्यकता नहीं होती है।
$3$. इनमें बहुत तेज़ ऑन-ऑफ स्विचिंग क्षमता होती है,जो इन्हें हाई-स्पीड संचार और डिस्प्ले तकनीकों के लिए आदर्श बनाती है।
$4$. उत्सर्जित प्रकाश की बैंडविड्थ आमतौर पर संकीर्ण होती है,न कि $4000 \ Å - 7000 \ Å$ (जो पूरे दृश्य स्पेक्ट्रम को कवर करती है)।
इसलिए,सही कथन यह है कि इनमें तेज़ ऑन-ऑफ स्विचिंग होती है।

(C) फोटोडायोड में,रिवर्स सैचुरेशन करंट मुख्य रूप से अल्पसंख्यक आवेश वाहकों के प्रवाह के कारण होता है। जब प्रकाश फोटोडायोड पर आपतित होता है,तो यह इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न करता है,जिससे अल्पसंख्यक आवेश वाहकों की संख्या बढ़ जाती है। चूंकि अल्पसंख्यक वाहकों की प्रारंभिक संख्या बहुत कम होती है,इसलिए आपतित प्रकाश की थोड़ी सी मात्रा भी उनकी सांद्रता में महत्वपूर्ण आंशिक परिवर्तन लाती है। इससे रिवर्स करंट में स्पष्ट परिवर्तन होता है,जो फोटोडायोड को प्रकाश के प्रति अत्यधिक संवेदनशील बनाता है। इसके विपरीत,फॉरवर्ड बायस में,करंट पर बहुसंख्यक वाहकों का प्रभुत्व होता है,जो पहले से ही बड़ी संख्या में मौजूद होते हैं,जिससे आपतित प्रकाश के कारण होने वाला आंशिक परिवर्तन नगण्य हो जाता है।

(A) $Si$ का ऊर्जा बैंड अंतराल लगभग $1.14 \ eV$ है और $GaAs$ के लिए यह $1.42 \ eV$ है।
सौर सेल को सौर स्पेक्ट्रम से फोटॉन को अवशोषित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। सौर विकिरण स्पेक्ट्रम में $1.5 \ eV$ से $2.0 \ eV$ के आसपास अधिकतम तीव्रता होती है।
एक कुशल सौर सेल होने के लिए,सामग्री का बैंड अंतराल अधिकतम सौर विकिरण की ऊर्जा सीमा (आमतौर पर $1.0 \ eV$ से $1.8 \ eV$) के करीब होना चाहिए।
चूंकि $Si$ $(1.14 \ eV)$ और $GaAs$ $(1.42 \ eV)$ के बैंड अंतराल इस सीमा में आते हैं,इसलिए वे पसंदीदा सामग्री हैं।
कारण $(R)$ कहता है कि बैंड अंतराल अधिकतम सौर विकिरण के ऊर्जा स्तर से 'काफी नीचे' हैं,जो गलत है क्योंकि वे वास्तव में इष्टतम सीमा के बहुत करीब हैं।
इसलिए,कथन $(A)$ सही है,लेकिन कारण $(R)$ गलत है।

(A) दिया गया है: $LED$ की अधिकतम शक्ति $P_{max} = 2 \text{ mW}$,इनपुट वोल्टेज $V_{in} = 5 \text{ V}$,प्रतिरोध $R = 1 \text{ k}\Omega$,और $R$ से गुजरने वाली धारा $I_R = 0.5 \text{ mA}$ है।
$1$. $LED$ के सिरों पर वोल्टेज $(V_{LED})$ प्रतिरोध $R$ के सिरों पर वोल्टेज के समान है क्योंकि वे समानांतर में हैं। अतः,$V_{LED} = I_R \times R = 0.5 \text{ mA} \times 1 \text{ k}\Omega = 0.5 \text{ V}$.
$2$. $LED$ से गुजरने वाली अधिकतम धारा $I_{LED} = \frac{P_{max}}{V_{LED}} = \frac{2 \text{ mW}}{0.5 \text{ V}} = 4 \text{ mA}$ है।
$3$. श्रेणी प्रतिरोध $R_S$ से गुजरने वाली कुल धारा $I_S = I_{LED} + I_R = 4 \text{ mA} + 0.5 \text{ mA} = 4.5 \text{ mA}$ है।
$4$. $R_S$ के सिरों पर वोल्टेज $V_{R_S} = V_{in} - V_{LED} = 5 \text{ V} - 0.5 \text{ V} = 4.5 \text{ V}$ है।
$5$. न्यूनतम प्रतिरोध $R_S = \frac{V_{R_S}}{I_S} = \frac{4.5 \text{ V}}{4.5 \text{ mA}} = 1 \text{ k}\Omega$ है।