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Ch2 半导体中的杂质和缺陷能级
Ch2 半导体中的杂质和缺陷能级理想半导体：?原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。晶体中无杂质，无缺陷。 电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁 带――电子能量只能处在允带中的能级上，禁 带中无能级。由本征激发提供载流子? ??杂质：
与组成半导体材料元素不同的其它化学元素。如硅中掺磷、掺硼等?引入杂质和缺陷的意义：半导体材料独特的性质，取决于杂质影响．极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的理化性质产生决定性的影响（半导体器件的质量）．可通过适当掺杂制造形形色色的器件半导体中的杂质和缺陷起什么样作用？为什么会起这样的作用？杂质和缺陷的存在，所产生的附加势场使严格 的周期性势场受到破坏，可能在禁带中引入允许 电子具有的能量状态(即能级) ．EC杂质能级EV2.1 Si、 Ge中的杂质能级重点和难点? ? ? ? ?施主杂质、施主能级、n型半导体； 受主杂质、受主能级、p型半导体； 施主杂质和受主杂质的电离能 杂质的补偿作用； 浅能级杂质和深能级杂质2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质根据杂质在半导体中位置不同，可分为： 替位式杂质和间隙式杂质(interstitial)Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si PSiSi Si Si Si间隙式：原子 半径小替位式：占据正常 的格点位置原子的大小与被取代的晶 体原子大小比较相近杂质浓度：描述杂质的含量多少 1/cm3 引入的杂质能级位于禁带中杂质能级 EgECSi SiSiSi Si SiSi Si P SiSiSi间隙式SiSiSiEVSi替位式SiSiSiSi2.1.2 施主杂质、施主能级一、施主杂质：当五价元素磷（或锑）在硅中成为替位式杂质并且电离时，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束 缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。 磷为施主杂质(n型杂质)。 本征半导体掺入施主杂质后成为n型半导体。Si Si Si Si-Si Si SiP+Si硅中的施主杂质磷替代硅，其效果是形成一个正电中心P+ 和一个多余的价电子。这个多余的价电子 就束缚在正电中心P+的周围（弱束缚）。多余 价电子+4 +5+4+4磷原子
二、N 型半导体：本征半导体中掺入磷等Ⅴ 族元素后，自由电子浓度大大增 加的杂质半导体，也称为（电子 半导体）。多余 价电子+4 +5+4磷原子+4N 型半导体中 的载流子是什 么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。三、施主电离? ?施主杂质释放电子的过程叫施主电离。未电离时是中性的，称为束缚态或中性态； 电离后成为正电中心，称为离化态 多余 价电子+4+4 +4磷原子+5杂质电离能杂质电离能：使多余电子挣脱束缚成为导电 电子所需要的能量，Δ ED (Donor)多余 价电子+4 +5+4+4磷原子硅、锗晶体中V族杂质的电离能（eV） Ｖ族杂质元素在硅、锗中的电离能很小， 在硅中约为0.04-0.05eV，在锗中约为0.01eV, 比硅、锗的禁带宽度Eg小得多[Eg(Ge)=0.72eV]杂 质 晶体PSi 0.044As0.049Sb0.039Ge0.01260.01270.0096四、施主能级和施主电离（1）施主能级： 将被施主杂质束缚的电子的能量状态，ED 多余 问题：该电子的能量？ 1. 比成键电子自由得多 价电子 （ED》Ev） 1. 与导带电子也有差别 （受到P+库伦吸引作用） 磷原子 ∴ED=EC-E库伦 落在禁带中+4+4+5+4施主能级和施主电离（2）Δ ED
EC EDEgEV∵ΔED《Eg， ∴施主能级离 导带底很近? T=0k，束缚态 ?T≠0K，电子得到能量ΔED，从施主的束缚态跃 迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚 时的能量比导带底EC低ΔED 。（离化态） ?电离的原因：热激发、远红外光的照射施主杂质是比较少的，杂质原子间的相互作用可以忽略，一种杂质的施主能级是具有相同能量的孤立能级∴杂质原子用短线表示Δ ED
EC EDEgEV2.1.3 受主杂质 受主能级一、受主杂质：当三价元素，如硼（或铟） 在硅中成为替位式杂质并电离时，硼原子 的最外层有三个价电子，与相邻半导体原 子形成共价键时，产生一个空穴。这个空 穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子 成为不能移动的带负电的离子。硼原子接受电子，称为受主原子。B为受主杂质(p型杂质)。本征半导体掺B后成为p型半导体（空穴半导体）SiSi SiSi Si+SiBSiSi硅中的受主杂质硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子， 称为负电中心（B- ） 。带负电的硼离子和带 正电的空穴间有静电引力作用，这个空穴受 到硼离子的束缚，在硼离子附近运动。空穴+4 +4+3+4B-但硼离子对这个空穴的束缚是弱束缚，很少 的能量就可以使空穴挣脱束缚，成为在晶 体的共价键中自由运功的导电空穴。空穴+4 +4+3+4B-硼原子成为多了一个价电子的硼离子（B- ） ----不能移动的负电中心。 空穴+4 +4+3+4B-
二、 P 型半导体：本征半导体中掺入B等Ⅲ 族元素后，空穴浓度大大增加的杂质半导 体，也称为（空穴半导体）。P 型半导体空穴+4 +4P型半导体中载流子 是什么？+3+4硼原子由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子浓度相同 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。三、受主电离? ?受主杂质释放空穴的过程叫受主电离。未电离时是中性的，称为束缚态或中性态； 电离后成为负电中心，称为受主离化态杂质电离能杂质电离能：使多余空穴挣脱束缚成为导电 空穴所需要的能量，Δ EA (Acceptor)空穴+4+4+3+4硼原子硅、锗晶体中Ⅲ族杂质的电离能(eV)Ⅲ族杂质元素在硅、锗晶体中的电离能很小。 硅中约为0.045-0.065eV。铟(In)在硅中的电离能为 0.16eV，是一例外，在锗中约为0.01eV。比硅、锗晶体 的Eg小得多。晶体Si杂 质 B 0.045 Al 0.057 Ga 0.065 In 0.16Ge0.010.010.0110.011四、受主能级和受主电离?把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主 能级，EA 。 EC ∵ΔEA《Eg， ∴受主能级离 价带顶很近Eg Δ EA EAEV空穴得到能量ΔEA后，从受主的束缚态跃迁 到价带成为导电空穴，在能带图上表示空穴 的能量是越向下越高，空穴被受主杂质束缚 时的能量比价带顶EV低ΔEA。Δ EA《Eg，受主能级位于离价带顶很近的禁带中。 一般受主能级也是孤立能级。ECEgΔ EAEAEV受主能级和受主电离纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离， 使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力， 把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴型或p型半导体。 ECEg Δ EAEAEVⅢ、Ⅴ族杂质在硅、锗晶体中分别是受主和施主杂质，起作用是由于禁带中引入能级;受主能级比价带顶高Δ EA ，施主能级则比导带底低Δ ED .五、杂质半导体的示意表示法－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体－ － － － － － P 型半导体杂质半导体多子和少子的移动都能形成电流。但 由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。六 小结杂质可以处于两种状态，即未电离的中性态或 束缚态以及电离后的离化态!处于离化态时，受主杂质向价带提供空穴而成为 负电中心，施主杂质向导带提供电子而成为正电中心.七 浅能级杂质硅、锗中的Ⅲ 、V族杂质的电离能都很小，所以受 主能级很接近于价带顶，施主能级很接近于导带底。这 些杂质能级称为浅能级，产生浅能级的杂质称为浅能级 杂质。 室温下，晶格原子热振动的能量会传递给电子， 可使硅、锗中的Ⅲ、Ⅴ族杂质几乎全部离化，称为全 电离2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算Si?类氢原子模型的计算m0 q 4 En ? ? 2 2 2 8? 0 h nSiSi-Si Si Si氢原子：P+ Si两个修正：a， ε0→ε0εrεr(Si)=12 εr(Ge)=16.2 b, m0 → m* 注意Si, Ge多能谷效应，m? q 4 m? Eo ?E D = 2 n 2 2 ? 2 8ε 0ε r h mo ε rSiΔED(A)~ 几十meV锗、硅的相对介电常数ε r 分别为16，12。 锗Δ Ε D =0.05mn*/m0 硅Δ ED =0.1mn* /m0 而mn*/m0 ,mn* /m0 小于1.硅锗中杂质电离能 肯定小于0.1eV和0.05eV. 受主杂质讨论相同.显而易见是浅能级杂质. 晶体 Si 杂 质P0.044As0.049Sb0.039Ge0.01260.01270.0096实测值与理论估算结果 具有相同的数量级Ge ΔED=0.0064eV Si ΔED=0.025eV2.1.5 杂质的补偿作用在半导体中，若同时存在着施主和受主杂质，施受主 杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿 作用。空间角度的理解：施主周围有多余的价电子，受主周 围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周 围空缺的价键电子，使价键饱和，使系统能量降低 稳定状态ND表施主杂质浓度，NA表受主杂质浓度，n表示导带中电子浓度,p表示价带中空穴浓度。假设施主和受主杂质全部电离时，杂质是如何补 偿的。1.当ND 》NA时受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃 迁到NA受主能级后，施主能级上还有ND - NA个电子，在 杂质全部电离的条件下，它们跃迁到导带中成为导电电 子，这时， n=ND - NA ≈ND ,半导体是n型的.EC ED EA EV2.当NA 》ND 时施主能级上的全部电子跃迁到受主能级后， 受主能级上还有NA C ND空穴，它们可以跃 迁入价带成为导电空穴， 所以，p= NA C ND ,半导体是p型的。EC EDEA EV经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度 称为有效杂质浓度。当ND ＞ NA时，则 ND CNA 为有效施主浓度；当NA & ND时，则NA C ND为 有效受主浓度。杂质补偿作用是制造各种半导体器件的基础。如能根据需要用扩散或离子注人方法来改变半导 体中某一区域的导电类型，以制成各种器件. 磷 硼NPn型Si外延层NN晶体管制造过程中的杂质补偿问题----控制不当,会出现ND ≈NA的现象。这时，施主电子刚好够填充受主能级，虽然杂质很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴,这种现象称为杂质的高度补偿.这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很多，性能很差， 不能用采制造半导体器件.2.1.6 深能级杂质在Si、Ge中掺入非Ⅲ、Ⅴ族杂质后，在Si、Ge禁带中产生的施主能级ED距导带底EC较远，产生的受主能级EA距价带顶EV较远，这种杂质称为深能级，对应的杂质称为深能级杂质。深能级杂质特点：?深能级杂质能级离带边较远，ΔED, ΔEA可 与Eg相比拟 深能级杂质可以多次电离，每一次电离相 应有一个能级。在硅、锗的禁带中往往引 入若干个能级。且有的杂质既引入施主能 级又引入受主能级（两性杂质）。?讨论：杂质在硅、锗中的主要存在方式是替代式。分 析它们的能级情况，可以从四面体共价键的结构出 发。 以金在锗中产生的能级为例来说明。金在锗中 产生四个能级，如图：0.04 0.20 0.15 0.04 EC EA3 EA2 EI EA1 ED EV金在锗中的能级ED是施主能级，EA1 EA2 EA3是三个受主能 级，它们都是深能级。图中Ei是禁带中线位置， 禁带中线以上的能级，注明离导带底的距离， 禁带中线以下的能级，注意离价带顶的距离。0.04 0.20 0.15 0.04 EC EA3 EA2 EI EA1 ED EV金是I族元素，中性金原子(Au0 )只有一个价电子，它 取代锗晶格中的一个锗原子而位于晶格点上，金比锗少 三个价电子，中性金原子的这一个价电子，可以电离而 跃迁到导带，这一施主能级为ED。因此，电离能为(EC― ED )。0.04 0.20 0.15 0.04 EC EA3 EA2 EI EA1 ED EV因为金的这个价电子被共价键所束缚，电离能很 大，略小于锗的禁带宽度，所以，这个施主能级靠近 价带顶。0.04 0.20 0.15 0.04 EC EA3 EA2 EI EA1 ED EV电离以后，中性金原子Au0就成为带一个电子电 荷的正电中心Au+ 。但另一方面，中性金原子还可以和周围的四个 锗原子形成共价键。 在形成共价键时，它可以从价带接受三个电子 形成EA1 EA2 EA3三个受主能级。金原子Au0接受第一个 电子后变为Au- ，相应的受主能级为EA1，其电离能为 (EA1―EV)。0.04 0.20 0.15 0.04 EC EA3 EA2 EI EA1 ED EV接受第二个电子后，Au变为Au= ，相应的受主能 级为EA2，其电离能为(EA2―EV)。接受第三个电子后， Au--变为Au≡ ，相应的受主能级为EA3 ，其电离能为 (EA3 ― Ev)。上述的Au- ， Au= ， Au≡分别表Au0 成为 带一个、两个、三个电子电荷的负电中心。EC EA3 EA2 EI EA1 ED EV0.04 0.20 0.15 0.04电子间的库仑排斥作用:使金从价带接受第二个电子所需要的电离能比接 受第一个电子时的大;接受第三个电子时的电离能比接受第二个电子时 的大。∴ EA3 ＞EA2＞EA1。EA1离价带顶相对近一 些，但是比III族杂质引入的浅能级还是深得多， EA2更深， EA3就几乎靠近导带底了。于是金在 锗中一共有Au+ Au0 Au- ， Au= ， Au≡五种荷电 状态，相应地存在着ED EA1 EA2 EA3 四个孤立 能级，它们都是深能级。0.04 0.20 0.15 0.04 EC EA3 EA2 EI EA1 ED EV深能级杂质，一般情况下含量极少．能级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导电空穴浓度(统称为载流子浓度)和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，这些杂质也称为复合中心。 金是一种很典型的复合中心，在制造高速开关器件 时，常有意地渗入金以提高器件的速度。如：快恢复二极管深能级杂质特点??不容易电离，对载流子浓度影响不大一般会产生多重能级，甚至既产生施主能 级也产生受主能级。 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命 降低（在第五章详细讨论）。 深能级杂质电离后以为带电中心，对载流 子起散射作用，使载流子迁移率减少，导 电性能下降。??2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物的杂质能级Ga As As Ga Ga B Ga As Ga As Ga As Ga As As Ga C?GaAs中的杂质Ga As As AGaAsGa AsGa As As GaGa As替位式杂质：取代III 族、V 族位置 间隙式杂质：处于4 个III 族（V 族）原子围成的正 四面体各族元素在GaAs中的杂质行为(1)1. I 族Ag, Au 受主2. II 族Be 取代Ga位，少1 个价电子，受主（浅） 3. III 族In 取代Ga位，既不缺少价电子，也不多余价电子 ----等电子杂质 4. IV 族Si 既可以取代Ga，又可以取代As ----两性杂质 对于GaAs中的Si，首先倾向于成为施主，逐渐小部分成 为受主各族元素在GaAs中的杂质行为(2)5. V 族P 取代As 位----等电子杂质6. VI 族Te 取代As 位，多1 个价电子，施主（浅） O 深施主 p 型GaAs中掺O ----半绝缘GaAs （~107Ω?cm） 7. 过渡族Cr 深受主n 型GaAs中掺Cr ----半绝缘GaAs2.3 缺陷、位错能级2.3.1 点缺陷如SiC晶体中：空位 间隙原子 反结构缺陷VC VSi Ci Sii CSi各种复合体VCCSi VC-VSi出现在 化合物半导体中Vo+e V? 受主 VC?VSi? Vo-e V+ 施主 VC+ VSi+分类：弗仑克耳缺陷--晶体内间隙原子和空位是成对 出现 肖特基缺陷----晶体内形成空位而无间隙原子 间隙原子缺陷：只有间隙原子而无原子空位间隙原子和空位--既产生又不断复合达到平衡浓度值点缺陷（热缺陷）特点?热缺陷的数目随温度升高而增热?缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。 原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能 量最小??淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷。退火可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工 艺中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都 需要进行退火处理。离子注入形成的缺陷也用 退火来消除。缺陷的产生需要一定的能量0.7H10.61: 0.5MeV 8V 2: 0.3MeV 8V 3: 0.3MeV 16V X1 X40.5DLTS signal (pF)0.40.3H2 X1 2 3200 250 300 350 4000.20.10.0 150Temperature (K)可以通过退火消除缺陷，但是也可能产生二次缺陷点缺陷对半导体性质的影响?缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致 使在禁带中产生能级。热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起 复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿 命降低。 ? 空位缺陷有利于杂质扩散? ?对载流子有散射作用，使载流子迁移率和 寿命降低。线缺陷-位错位错刃位错? 滑移矢量 b ⊥位错线位错产生的一排多余原子是不饱和键，有一个不成对的电子 若失去电子 施主 俘获电子 受主棱位错对半导体性能的影响：? 位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为受主；悬挂键上的一个 电子也可以被释放出来而变为正电中心， 此时表现为施主，即不饱和的悬挂键具 有双性行为，可以起受主作用，也可以 起施主作用。? 位错线处晶格变形，导致能带变形棱位错对半导体性能的影响（2）? ?位错线影响杂质分布均匀性位错线若接受电子变成负电中心，对载流 子有散射作用。（第四章） 影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁 带宽度减小，有利于非平衡载流子复合； 二是在禁带中产生深能级，促进载流子复 合。（第五章）?复习题1? ? ?解释施主杂质、受主杂质的意义。说明杂质能级以及电离能的物理意义。 纯锗、硅中掺入Ⅲ族或Ⅴ族元素后，为什 么使半导体电性能有很大的改变？ 何谓深能级杂质？它们电离以后有何特点？?复习题2?为什么金元素在锗或硅中电离后可以引入多个施主或受主能级？?说明掺杂对半导体导电性能的影响。?说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同？ ?什么叫杂质补偿？什么叫高度补偿的半导体？ 杂质补偿有何实际应用？作业：1、3、5、7
半导体物理第三章2_工学_高等教育_教育专区。03-2半导体物理教案-8 §3.3 ...但电子和空穴在杂质或缺陷能级上的 分布会直接影响导带和价带中的载流子密度。...二、半导体中的杂质和缺陷能级 1、晶胞空间体积计算 Si 晶胞中有 8 个硅原子...2、杂质类型 间隙式:原子较小,存在于晶格原子间的间隙位置 替位式:原子大小及...2 半导体中杂质和缺陷能级缺陷分为点缺陷,线缺陷,面缺陷(层错等) 1.替位式杂质间隙式杂质 2.施主杂质: 能级为 E(D),被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带...第二章 半导体中杂质和缺陷能级 1、杂质类型:杂质原子进入半导体硅以后,只可能...2、使电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能。 能释放电子而产生...半导体物理教案-6 § 2-2 典型半导体中的杂质和缺陷能级一、硅、锗晶体中的杂质能级 1、浅能级 硅、锗晶体中常用的浅施主杂质有 P、As、Sb,浅受主杂质有 B...8.3 ?10 s。 第 2 章 半导体中的杂质和缺陷能级 1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么? 答:(1) 实际半导体中原子并不是静止在具有严格周期性的晶格...空穴陷阱:能收容空穴的杂质或缺陷能级。 13.平衡态,非平衡态,稳定态 平衡态:半导体中载流子浓度不随时间变化且满足 n0 p0 ? ni 2 非平衡态:当半导体受到外界...第二篇 半导体中的杂质和缺陷能级习题 2-1、什么叫浅能级杂质?它们电离后有何特点? 2-2、什么叫施主?什么叫施主电离?施主电离前后有何特征?试举例说明之, 并...电子陷阱:能收容电子的杂质或缺陷能级。 空穴陷阱:能收容空穴的杂质或缺陷能级。 2 13.平衡态,非平衡态,稳定态 平衡态:半导体中载流子浓度不随时间变化且满足 n0...第二章 半导体中的杂质与缺陷能级例 1.半导体硅单晶的介电常数 =11.8,电子...例 2. 现有三块半导体硅材料,已知室温下(300K)它们的空穴浓度 分别为: ,,,...
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文档介绍：固态电子论名词解释库（个人意见，仅供参考）&固体物理部分&晶体：构成粒子（原子，分子，集团）周期性排列的固体，具有长程有序性，有固定的熔点，具有自限性，各向异性和解理性特点的固体。布拉伐点阵：晶体的周期性结构可以看作相同的点在空间周期性无限分布所形成的系统，称为布拉伐点阵。布拉伐格子：在空间点阵用三组不共面平行线连起来的空间网格称为布拉伐格子。基元：布拉伐格子中的最小重复单位称为基元。原胞：在布拉伐格子中的最小重复区域称为原胞。晶胞：为了同时反应晶体的周期性和对称性，常常选取最小的重复单位的整数倍作为重复单元，这种单元称为晶胞。倒格子：分别以b1,b2,b3,作为基矢，构成的网格称作倒格子，其中布里渊区：在倒格子中，以某个倒格点作为原点，作出它到其他所有倒格点的矢量的垂直平分面，这些面将倒空间分割成有内置外的相等区域，称为布里渊区。五种晶体结合力方式：离子结合和离子晶体：共价结合和共价晶体：能把两个原子结合在一起的的一对为两个原子自旋相反配对的电子结构称为共价键。金属结合和金属晶体：作用力来自带正电原子实和负电电子云的吸引力，电子云重叠产生强烈的排斥作用的排斥力结合的称为金属晶体。氢键结合和氢键晶体：氢原子同时与两个电负性较大的原子想结合，一个属于共价键，另一个通过库仑作用结合的称为氢键。范德瓦耳斯结合和分子晶体：靠电偶极矩的相互作用而结合的力称作范德瓦耳斯力。主要的晶体结构类型：声子：晶格振动的一个频率为wq的格波等价于一个简谐振子的振动，其能量也可以表示为以下，Enl=(0.5+n)hwq.能量单元是hwq,它是格波的能量量子，称之为声子。点缺陷：在一个或几个原子尺寸范围内的微观区域内，晶格结构发生偏离严格周期性而形成的畸变区域。面缺陷：如果晶体中周期性遭到破坏的区域形成一条线，称这种一维缺陷为线缺陷。刃型位错：螺型位错：半导体物理部分电子有效质量：在一维模您的访问出错了(404错误)
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