Prosjdjng Pertenlllandan Presentasj /lmjallPPNY-BATAN. Yogyakarta 23-25 Aprj/1996 Bulat I 99

PENGARUH RADIASI NEUTRON CEPAT 14 MeV PADAKOMPONEN ELEKTRONIKA DIODA SEMIKONDUKTOR

Darsono, Agus Santoso, IriantoPusatPenelitianNuklir }'ogyakarta.KalakPas 1008,Yogyakarta

ABSTRAK

PESGARUH RADIASI NEUTRON CEPAT 14 MeV PADA KOMPONEN ELEKTRONIKA DIODAS£.I1IKONDUKTOR. Telall dilakukan penelitian mengenai pengaruh yang ditimbulkan alell radiasineutron cepat 14 MeV pada komponen elektronika khususnya dioda semikonduktor yang ado di pasaran.Melode pengamatannya dengan cara membandingkan watak volt-amper dioda sebelum dan sesudahdiradiasi untuk berbagai fluen neutron. Pengaruh yang terjadi berupa perubahan watak dioda yaitukenaikan arus yang mengalir dari diada pada keadaan bias maju. Fluen neutron minimum yangdibutuhkan ul1tukmembel1lukperubahan pada dioda masing-masing adalah 2.8x JOI2n/em] untuk diodasilikan BZX29C6VS dan 1N935 dan 1.6 x 10J]n/cm] ltntuk dioda germanium OA.

ABSTRACTS

FAST NEUTRON 14 MeV IRRADIATION EFFECT ON SEMICONDUCTOR DIODE OF ELECTRONIC

CO.lfPONENTS Effects of fast neutron 14 MeV irradiation on electronic components especiallysemiconductor diode commercia/~vavailable in the market have been investigated. The investigation wasdone by comparing volt-amper of diode charaCleristic before and after irradiation for various neutronfluent. The effect accurl?dis in Iheform of the change of the diode characteristic which is the increasedcurrent Ihalflows al forward bias. Minimum nelllranfluel1l required 10induce some effects on diode wasfound to be 2.8 x 101] n/cm] for Bzr29C6V8 and IN935 silicon diode and 1.6 x f()1] /V'cm] /or OAgermanium diode.

PENDAHULUAN

Pengaruh radiasi terhadap material adalahfenomena yang sangat rnenarik untuk diteliti.

Riset mengenai hal ini sudah dimulai di negara-negara maju clan sekarang masih berlanjut [I ,2J.Aplikasi riset ini sangat berguna dalam pengem-bangan ilmu struktur material suatu zat rnampat[2]. Riset efek radiasi tcrutama radiasi ion clanneutron cepat terhadap logam, semikonduktor, clanisolator merupakan hal renting dalam mendisainkomponenreaktor pembiak cepat clanfusi [I].

Riset mengenai efek neutron cepat pactakomponen elektronik semikonduktor sangatbennamfaat karena bcberapa instrumen elektronikdigunakan dalam medan neutron dari sebuahreaktor fusi. Perubahan karakteristik elektroniktergantung dari jenis komponen yang digunakan[3J. Beberapa parameter fisis efek radiasi sepertiperubahan sifat elektrik clan mekanik bahan dapatdipelajari dengan mcnggunakan generator neutron.Untuk membatasi masalah pada penelitian ini

dilakukan riset efek neutron cepat 14 MeV ter-hadap komponen elektronik diode semikonduktoryang actadi pasaran sebagai langkah awal riset ini.Diode dipilih karena dioda merupakan komponenelektronik semikonduktor yang paling sederhana.Disamping itu data efek radiasi neutron cepatterhadap dioda yang ada di pasaran belum acta.

Pacta riset ini dun macam bahan diodasemikonduktor yaitu silikon clangermanium untukberbagai jenis dioda diteliti. Somber neutron cepatdihasilkan dari generator neutron di PPNY-BATAN yang menyediakan fluks neutron sampaiorde 109pactaenergi 14MeV. Metodepenelitianyang digunakan dengan cara membandingkanwatak volt-amper dioda sebelum clan sesudahdiradiasi neutron untuk berbagai fluen neutron.Adapun tujuan penelitian ialah untuk mendapatkanfluen neutron minimum agar terjadi efek terhadapwatak volt-amperdiode.

ISSN 0216-3128 Da rsono, dkk.

100 BukuIPresiding Pertemuan dun Presentasi IImlah

PPNY-BATAN. Yogyakarta 23-25 Apri//996

TATA KERJA

a) Bahan daD alatI. Disiapkan cuplikan dioda silikon jenis

8ZX29C6V8, IN935 clan IN4001 masing-masing 10 buah juga cuplikan germanium OAclanGP20 masing-masing 10 buah

2. Generator neutron buatan SAMES-PERANCIS3. Detektor neutron cepat ZnS(Ag) + 82034. Kurva tracer 7CTIN5. Osiloskop Tektronik 79046. Kamera Polaroid

b) Metode percobaan,.'; ,_...

Masing-masing dioda sebelum diradiasidiabadikan gambar watak volt-ampernya padakeadaan tegangan bias maju dengan menggunakankurva tracer 7CTl N yang dirakitkan padaosiloskop tektronik 7904. Skema percobaan dapatdilihat pada gambar I. Cuplikan diodasemikonduktor diletakkan pada pin-pin salurankolektor clanemiter. Anoda daTidioda diletakkanpada kolektor sedangkan katoda pada emiter untukmendapatkan bias maju. Dengan memutarCOLLECTOR/DRAIN VOLTS pada kurva tracerdapat dilihat watak volt-ampernya dioda padatampilan osiloskop. Watak volt-ampernya yangtertampil pada layar osiloskop kemudian dipotretmenggunakan kamera polaroid. Kondisi tombol-lOmbolkurva tracer untuk semua pengujian watakvolt-amper dioda sebelum clan sesudah diradiasineutron dibuat pada keadaan yang sarna. Hal inidilakukan untuk memudahkan analisis dalammetode komparasi sehingga dapat diketahuiperubahan yang terjadi pada dioda yang telahdiradiasi. Kemudian dioda diradiasi untukberbagai fluen pada fluks neutron orde 108n/cm2.detikdengan menggunakan neutron cepat 14MeV dari generator neutron buatan SAMES-PERANCIS. Cuplikan dioda diletakkan padapermukaan pelindung sasaran tritium generatorneutron pada saat yang bersamaan fluksneutronnya 'diukur dengan detektor neutronZnS(Ag) + 8203 untuk mengetahui fluenneutronnya. Fluen neutron ialah fluks neutrondikalikan waktu pemaparan neutron. Jadisatuannya ialah n/cm2. Untuk menentukan fluenminimum agar terjadi efek

Gambar 1: Skema pengujian walak voll-amperdioda

terhadap watak volt- amper dioda mula-mulacuplikan dioda diradiasi neutron dengan waktupemaparan 2 jam kemudian diuji watak volt-ampernya. Jika tidak terjadi efek kemudiandiradiasi neutron lagi dengan waktu pemaparanyang lebih lama sampai terjadi efek. Setelahterjadi efek kemudian dicari fluen terendah denganmemvariasi waktu pemaparan. Agar detektorneutron ZnS(Ag) + 8203 dapat digunakan untukmengukur fluks neutron maka dikalibrasi denganmetode aktivasi lempeng alumunium.

Untuk menganalisa kurva watak volt-amper diode dipergunakan metode garis bebanuntuk mengetahui berapa tegangan masuk padadioda untuk keluaran arus tertentu yang benar [4].Persambungan p-n dipandang sebagai clemenrangkaian dioda dasar yang terdiri daTi dioda ituscndiri dalam keadaan seri dengan tahanan R clansuatu sumber tegangan masuk Vi. Rangkaian inidianalisis untuk memperoleh arus i clan tegangandioda V apabila tegangan masukan Vi, Menuruthukum Kirchoff pada gambar 1maka

V=Vi-iR. (I)Persamaan linier ini disebut garis beban yangmelalui titik-titik di I =0; V = Vi clan I = -Vi /R ; V= O. Kemiringan garis ditentukan oleh R. Nilainegatip dari kemiringan berharga sarna denganIJR. Titik perpotongan garis beban dengan kurvawatak dioda memberikan harga arus i yang akanmengalir dalam rangkaian apabila tegangansesaatnya Vi. Titik perpotongan ini digunakansebagai titik pengamatan perubahan watak diodaakibat radiasi neutron seperti diperlihatkan padaskema metode garis beban pada gambar 2.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Agar detektor neutron ZnS(Ag) + 8203dapat digunakan untuk mengukur fluks neutronmaka detektor ini dikalibrasi dengan

Oa rsono. dkk ISSN 0216-3128

-.T-

LJ

--4/"'0...........

Prosiding Pertemllon don Presentosi Jlmiah

PPNr-BATAN, rogyakarla 23-25 Apri//996

-, .~~.

Bllklll 101

s.............

T ,.ow.-

Gambar 2 : Skema metode garis beban

menggunakan metode aktivasi lempengalumunium. Pacta kalibrasi ini lempengalumunium diaktivasi neutron dati generatorneutron dan pacta saar yang bersamaan detektorneutron ZnS(Ag) + 820) digunakan untukmencacah neutron dati generator neutron. Hasilkalibarasinya terlihat pacta label I. Alasan

Tabel 1 : Data kalibrasi detektor ZnS(Ag) + 8203dengan metode aktivasi lempeng AI

menggunakan ZnS(Ag) + 820) sebagai detektor. tluks neutron ialah karena jika menggunakan

lempengalumunium sebagai detektor tluks neutronuntuk waktu iradiasi yang lama ( > I jam) tidakakan mencerminkan harga tluks neutron yangsesungguhnya, ingat bahwa waktu parohalumunium reaksi (n,p) ialah 9,45 menit sehinggaakan terjadi saturasi. Sedangkan jikamenggunakan reaksi (n,a) tampang lintangnyakecil disamping akurasinya rendah. Alasan lainialah untuk kepraktisan dalam melakukanpereobaan. 8esamya faktor kalibrasi detek.1orneutron ZnS(Ag) + 8203 adalah 1530590,6(n/cm2.detik)/cps. Hasil pengukuran fluks neutrondiatas mempunyai ketelitian 95%.

Hasil percobaan pengaruh radiasi neutronterhadap dioda semikonduktorcepat

memperlihatkan bahwa irradiasi neutron cepatdapat menyebabkan perubahan watak volt-amperdioda seperti pacta conraIl gambar 3 clan 4 datidioda silikon sebelum clan sesudah diradiasi.Adapun ringkasan hasil percobaan pengaruhradiasi neutron cepat terhadap dioda dari 5 jeniscuplikan dioda dapat dilihat pacta label 2.Cuplikan dioda silikon 8ZX29C6V8 clan IN935clan dioda OA germanium mengalami perubahanwatak volt-ampernya. Dari analisis garis bebanternyata perubahan yang terjadi berupa kenaikanarus relatifterhadap harga arus dioda sebelum

Gambar 3 : Dioda Silikon BZX29C6V8 sebelum

diradiasi nelifrol1cepat

Gambar 4: Dioda Silikon BZX29C6V8 setelahdiradiasi neutron cepat pada fluen 6x 1012 n/cm2

diradiasi seperti terlihat pada gambar 5, 6, clan 7.Dari gambar 5, 6, clan 7 dapat ditentukan bahwafluen minimum yang diperlukan agar terjadiperubahan dioda silikon BZX29C6V8 clan 1N935ialah orde 2,8 x 1012n/em2 sedangkan untuk diodaOA germanium ialah orde 1,5 x 1012 nlcm2 .Penembakan neutron pacta dioda 1N400 I clan

ISSN 0216-3128 Da rsono, dkk.

No Fluks neutron Cps [ZnS(Ag) +lempeng AI B2O)](n/em2.detik)

1 2,4 x 10 156,82 1.8 x 10' 119,03 4,6 x 107 30,14 1,8 x 10 117,65 2.0 x 107 13,1

102 Buku /Prosiding Pertemuan don Presentasl IImiah

PPNY-BATAN. Yog}'akarta 23-25 April/996

GP20 belum menampakan perubahan.Kemungkinanfluen neutron untukcede 9 x 1012belum eukup menimbulkan pengaruh pada watakdioda ini. Untuk itu perlu diteliti ulang untuk fluenyang lebih besar dari 101)nIem~.

Perubahan watak volt-amper dioda yangteramati pacta penelitian ini kemungkinandiakibatkan dari eaeat kisi yang ditimbulkan olehakumulasi fluen neutron. Hal ini dapat dijelaskanbahwa dalam semikonduktor elektron dan holedapat terjebak pacta eaeat kisi sehingga merubahstruktur kemagnitan, konduktivitas, serapan optikdl1.[2]. Hal ini dapat terjadi karena tingkat energiyang ditempati oleh eaeat kisi merubah konsentrasielektron bebas dalam bahan. Cacat kisi dapatdisebabkan berbagai hal seperti dislokasi,masuknya atom pengotor, maupun penembakanoleh partikel inti. Penembakan partikel inti pacta

Tabel 2 : Ringkasan hasil pereobaan pengaruhneutron eepat terhadap diodasemikonduktor

bahan mempunyai sifat yang khas yaitu tergantungpactaenergi partrikel dan interaksi partikel denganbahan. Inilah penjelasan mengapa fluen minimumuntuk dioda silikon berbeda dengan diodagennanium. Pactadasamya interaksi neutron padabahan merupakan penyebab pembentukan atomaging hasH transmutasi atom atau perpindahanatom dari letak nonnal pacta kisi. Perpindahanatom akan menimbulkan caeat kisi yang berlakusebagai perangkap-perangkap elektron. MenurutBillington dan Crawford [5] eaeat yang dihasilkanpacta semikonduktor dapat dikaitkan denganpenempatan pasangan lowongan inters/ilia! padatingkat energi dalam pita larangan sehinggamerubah konsentrasi pembawa dan mobilitasnya.Sebagian tingkat energi dari eaeat ditempati olehelektronataudonordan sebagian yang lain akankosong berlaku sebagai aseptor tergantung pactakonsentrasi mula-mula pembawa muatan danbahan semikonduktor.

i-I~

i.:a I

r 1e>-+---f'

~<I:

, .IFh,en n~"'..on <'n"cN&>:,.".

10

Gambar 5 : Pengaruh flu en neutron cepatterhadap arus bias maju daridioda Silikon BZX29C6V8

1-I~

'j

.:; I

<>-+ <0- H

~<I

. .. IFI..en n~ on ('",,0..2) ":"'~..

Gambar 6 : Pengaruh fluen neutron cepatterhadap arus bias maju daridioda Si/ikon IN935

ft .'I

)

~ I

'2. I:;e I<I

--<HI

/.a-<t

.. I . , . ...p,..en n on (""c..2) " ,...

Gambar 7 : Pengaruh fluen neutron cepat/erhadap arus bias maju daridioda Germanium OA

KESIMPULANPengaruh radiasi neutron eepat 14 MeV

pactakomponenelektronikadioda semikonduktordapat merubah watak volt-amper dioda. Pengaruhyang terjadi dalam penelitian ini berupa kenaikanarus yang mengalir pacta watak volt-amper daridioda pacta keadaan bias maju. Fluen neutron

Da rsono, dIck ISSN 0216-3128

No Cuplikan Bahan Erelenetron padadioda fluen ordc IOI1n/cm2

1 BZX29C6V8 Si nampak2 IN935 Si nampak.3 IN4001 Si belum nampak-I OA Ge nampak5 GP20 Ge belum nampak

Prosiding Pertemllon don Presenlosi Ilmioh

PPNY-BATAN. Yog}'okorlO 23-25 April 1996 Buku I 103

minimum yang dibutuhkan untuk membentukperubahan pads dioda masing-masing adalah 1,8 x10 12n/cm2untuk dioda silikon BZX29C6V8 clanIN935 clan 1,6 x 1012 n/cm2 untuk diodagennanium OA. Sedangkan untuk dioda silikonIN400I clangermanium GP20 pads fluen 9:\ 10l' ,- nlCI11-belul11menampakan perubahan.

UCAPAN TERIMA KASIH

Peneliti mengucapkan banyak terima kasihkepada sdr. Suraji clan Agus Tri Purwanto stafkelompok fisika Nuklir PPNY atas banruannyadalam pengoprasian generator neutron sehinggaterselesaikannyapenelitian ini.

DAFTAR rUST AKA

I. CSIKAI, J., Utilization of Intense NeutronGenerators in Science and Technology, Nucl.Instr. & Meth. A280 (\ 989), p.233 -250

2. LEHMAN, c.H.R., Interaction of Radiation inSolids and Elementary Defect Production, NorthHolland Company, (1977).

3. BATISTI, S., etal., Radiation Damage toElectronic Components, Nucl. Instr.. & Meth.AI36,(1976)p.1451-472

4. MILLMAN.. J.. and HALKIAS., J., IntegratedElectronic, Barmawi, M., clan Tjoa, M.O.,terjemahan. Elektronika Terpadu, Erlangga,Jakarta. (1984)

5. BILLINGTON, D.O., and CRAWFORD, 1.H.,Radiation Damage in Solids, Princenton Press.,New Jersay, (1961)

TANYAJAWAB

Sutadji S.- Mengapa Vbreakdowntidaklbelum diamati ?

Darsono .

- Kami be/um mene/ili masa/ah VhrraA:.d<J...n, komi

akan lamplll1g saran saudara untuk pene/itian/ebih /anjlll

Amir Rusli

- Alasan spa yang menyebabkan Fluen minimumyang dibutuhkan untuk dioda silikon

BZX29C6V8 clan IN935 sarna, pads komposisi

bahan sangat berbeda.

- Langkah-Iangkah yang diambil untukmemperpanjang umur komponen (dioda) yangbekerja di lingkungan fluen neutron tinggi

- Says kira penelitian perlu dilanjutkan untukmendapatkan kesimpulan yang lebih jelas

Darsono

- Dua dioda ini mempunyai bahan soma yaitusilikon, sedangkan interaksi neutron cepatdengan bahan bersifat kIlos yaitu efek yangterjadi tergantung bahan don energi neutron.Jadi mungkin karena bahan somamenghasilkan fluen yang soma. Tapi kG/aukilOlihal dioda 1N400 1pada fluen orde IOu /'zIcm2be/um berubah. Jadi komi kira per/upengkajian teori /ebihjauh.

- Dicari bahan dioda yang tahan radiosi neutrono/eh karena itu per/u penelitian ini dilanjutkan

- Senar, saya setuju

M. Syamsa A.- Mengapa tidak mencoba penelitian pads dioda

tire biner seperti GaAs (Galium Arsenat) stallInP (Indium Phosphor) yang lebih tahanterhadap radiasi daripada semikonduktor silikonstall gennanium

Darsono

- Sepe/'ti komi salllpaikan pada pendahu/uan

presentasi, bahwa penelitian ini merupakanpenelitian mva/. Jadi komi mencoba dengandioda yang lIIudah keno efek neutron.Se/anjutnya komi mene/iti dioda jenis lain donkomponen e/ekt/'onik /ainnya.

Djen Djen- Dari kesimpulan terlihat bahwa neutron cepat

mampu mengubah watak dioda. Apakah disinidianalisis perubahan watak dioda secarakualitataif sehingga diketahui batas berfungsitidaknya dioda tersebut

Darsono

- Dari data V-I cuplikan dioda masih berfungsi

Widdi Usada- Tampaknya dioda setelah dikenai neutron makin. peka (tegangan forward lebih kecil). Apakah

dapat disimpulkan diode tersebut lebih peka ?

- Berapa lama penguraian neutron terhadap dioda

Darsono- Tidak, karena dioda yang digunakan disini

merupakan dioda penyearah

- Lebih besar dari 3jam untuk l/J=/rln/cm2.s'

ISSNO216-3128 Da rsono,dkk.