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文檔簡介

第4章半導(dǎo)體器件4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識4.4絕緣柵場效應(yīng)管4.3晶體管4.2半導(dǎo)體二極管1.了解半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓二極管的工作

原理和主要參數(shù)

2.了解雙極型晶體管、MOS場效應(yīng)管的工

作原理和主要參數(shù)本章要求4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識4.1.1本征半導(dǎo)體與摻雜半導(dǎo)體導(dǎo)體:自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體,金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體:有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電,稱為絕緣體,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體:另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間,稱為半導(dǎo)體,如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性:(可做成溫度敏感元件,如熱敏電阻)。摻雜性:往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì),導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件,如二極管、三極管和晶閘管等)。光敏性:當(dāng)受到光照時,導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件,如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性:當(dāng)環(huán)境溫度升高時,導(dǎo)電能力顯著增強1.本征半導(dǎo)體GeSi通過一定的工藝過程,可以將半導(dǎo)體制成晶體。現(xiàn)代電子學(xué)中,用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺,它們的最外層電子(價電子)都是四個。完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體,稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子,稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子1.本征半導(dǎo)體

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量(溫度升高或受光照)后,即可掙脫原子核的束縛,成為自由電子(帶負電),同時共價鍵中留下一個空位,稱為空穴(帶正電)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)??昭囟扔撸w中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下,空穴吸引相鄰原子的價電子來填補,而在該原子中出現(xiàn)一個空穴,其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運動(相當(dāng)于正電荷的移動)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時,在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意:

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差;(2)溫度愈高,載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以,溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時,又不斷復(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達到動態(tài)平衡,半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。2.摻雜半導(dǎo)體摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素),形成摻雜半導(dǎo)體。

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加,自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式,稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。

在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,空穴是少數(shù)載流子。(1)N型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加,空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式,稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的,對外不顯電性。(2)P型半導(dǎo)體1.PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上,分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體,經(jīng)過載流子的擴散,在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。4.1.2PN結(jié)------------------------++++++++++++++++++++++++P型半導(dǎo)體------------------------N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++多子擴散運動內(nèi)電場E少子漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。空間電荷區(qū)越寬,內(nèi)電場越強,就使漂移運動越強,而漂移使空間電荷區(qū)變薄??臻g電荷區(qū),也稱耗盡層。多子邊擴散邊復(fù)合漂移運動P型半導(dǎo)體------------------------N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡,相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動,空間電荷區(qū)的厚度固定不變。------------------------++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴、N區(qū)中的電子(都是多子)向?qū)Ψ竭\動(擴散運動)。3、P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴(都是少子),數(shù)量有限,因此由它們形成的電流很小。注意:2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)正向偏置(加正向電壓):

P區(qū)接電源高電位端、N區(qū)接電源低電位端。

PN結(jié)反向偏置(加反向電壓):

P區(qū)接電源高電位端、N區(qū)接電源低電位端。名詞解釋:----++++RUS(1)PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱,多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。+_空穴自由電子(2)PN

結(jié)反向偏置----++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強,多子的擴散受抑制。少子漂移加強,但少子數(shù)量有限,只能形成較小的反向電流。RUS_+空穴自由電子

1、PN結(jié)加正向電壓時,PN結(jié)變窄,正向電流較大,正向電阻較小,PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。結(jié)論:

3、溫度越高少子的數(shù)目越多,反向電流將隨溫度增加。

2、PN結(jié)加反向電壓時,PN結(jié)變寬,反向電流較小,反向電阻較大,PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型4.2半導(dǎo)體二極管4.2.1二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號D4.2.2伏安特性UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBRUBR遠遠大于UF一般為十幾伏到幾十伏UF死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.2V。PN+-正向偏置PN+-反向偏置反向截止區(qū)反向電流很小反向擊穿區(qū)可控開關(guān)4.2.3主要參數(shù)(1)最大整流電流IOM二極管長期使用時,允許流過二極管的最大正向平均電流。(2)反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增,二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?,甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓URWM一般是UBR的一半或三分之二。(3)反向峰值電流IRM指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大,說明管子的單向?qū)щ娦阅懿?,因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響,溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小,鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù),二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦裕饕獞?yīng)用于整流、限幅、保護等等。選用二極管時還需注意交流參數(shù)。(4)微變電阻rDiDuDIDUDQrD是二極管特性曲線上工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比:顯然,rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。uDiD(5)二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容,此電容由兩部分組成:勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘電容:勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域,當(dāng)電壓變化時,就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化,這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。擴散電容:為了形成正向電流(擴散電流),注入P區(qū)的少子(電子)在P區(qū)有濃度差,越靠近PN結(jié)濃度越大,即在P區(qū)有電子的積累。同理,在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大,積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容CD。P+-NCB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時,由于載流子數(shù)目很少,擴散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號時的等效電路勢壘電容和擴散電容的綜合效應(yīng)rd二極管的微變電阻和極間電容為交流參數(shù)4.2.4二極管的單向?qū)щ娦裕?)二極管加正向電壓(正向偏置,陽極接正、陰極接負

)時,二極管處于正向?qū)顟B(tài),二極管正向電阻較

小,正向電流較大。(2)二極管加反向電壓(反向偏置,陽極接負、陰極接正)時,二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài),二極管反向電阻較大,反向電流很小。(3)外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿,失去單向?qū)щ娦?。?)二極管的反向電流受溫度的影響,溫度愈高反向電流愈大。電路如圖,求:UAB

V陽

=-6VV陰=-12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降,二極管可看作短路,UAB=-6V否則,UAB低于-6V一個管壓降,為-6.3V或-6.7V例1:

取B點作參考點,斷開二極管,分析二極管陽極和陰極的電位。在這里,二極管起鉗位作用。

D6V12V3kBAUAB+–4.2.5半導(dǎo)體二極管的簡單應(yīng)用ui>8V,二極管導(dǎo)通,可看作短路uo=8V

ui<8V,二極管截止,可看作開路uo=ui已知:二極管是理想的,試畫出uo

波形。8V例2:二極管的用途:

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––例3:二極管半波整流電路二極管:死區(qū)電壓=0.5V,正向壓降0.7V(硅二極管)考慮理想二極管:正向?qū)〞r:死區(qū)電壓=0,正向壓降=0,反向截止時:反向電流=0。RLuiuo-++-ARLuiuo-++-uiuottooRLuiuo-++-二極管示例1.穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡,電壓越穩(wěn)定+-UZDZ工作在反向擊穿區(qū)4.2.4特殊二極管(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)動態(tài)電阻rZrZ=UZ/IZ(3)最大耗散功率PZM=UZIZM(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流IZmin主要參數(shù):2.光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升IU照度增加3.發(fā)光二極管有正向電流流過時,發(fā)出一定波長范圍的光,目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光,它的電特性與一般二極管類似4.3晶體管

V型槽場效應(yīng)管VMOS(VerticalMetalOxideSemiconductor)電子三極管Triode(電子管的一種)雙極型晶體管BJT(BipolarJunctionTransistor)J型場效應(yīng)管

JunctiongateFET(FieldEffectTransistor)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET(MetalOxideSemi-ConductorFieldEffectTransistor)雙極型晶體管BJT(BipolarJunctionTransistor)4.3.1基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號:BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區(qū):最薄,摻雜濃度最低發(fā)射區(qū):摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點集電區(qū):面積最大4.3.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏

PNP發(fā)射結(jié)正偏

VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看:

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.051)三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2)IC

IB

IC

IE

3)IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質(zhì):用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化,是CCCS器件。結(jié)論:2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用3.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散,形成發(fā)射極電流IE。進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合,形成電流IBE,多數(shù)擴散到集電結(jié)。從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子,漂移進入集電結(jié)而被收集,形成ICE。集電結(jié)反偏,有少子形成的反向電流ICBO。

3.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

ICE與IBE之比稱為共發(fā)

射極電流放大倍數(shù)集-射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE04.3.3

特性曲線

即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線,是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn),反映了晶體管的性能,是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線?

1)直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2)合理地選擇偏置電路的參數(shù),設(shè)計性能良好的電路

重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.輸入特性特點:非線性死區(qū)電壓:硅管0.5V,鍺管0.1V。正常工作時發(fā)射結(jié)電壓:NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)(1)放大區(qū)在放大區(qū)有IC=IB

,也稱為線性區(qū),具有恒流特性。在放大區(qū),發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置,晶體管工作于放大狀態(tài)。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O(2)截止區(qū)IB<0

以下區(qū)域為截止區(qū),有IC0

。在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置,集電結(jié)處于反向偏置,晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)(3)飽和區(qū)

當(dāng)UCEUBE時,晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū),IBIC,發(fā)射結(jié)處于正向偏置,集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時,硅管UCES0.3V,鍺管UCES0.1V。4.3.3特性曲線

即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線,是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn),反映了晶體管的性能,是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線?

1)直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2)合理地選擇偏置電路的參數(shù),設(shè)計性能良好的電路重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線4.3.4主要參數(shù)1.

電流放大系數(shù),直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時,

表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù),晶體管的參數(shù)也是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。注意:

的含義不同,但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下,兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。例:在UCE=6V時,在Q1點IB=40A,IC=1.5mA;

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中,一般作近似處理:=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1

點,有由Q1和Q2點,得2.集-基極反向截止電流

ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流,受溫度的影響大。

溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO,所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。4.集電極最大允許電流ICM5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降,當(dāng)值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。當(dāng)集—射極之間的電壓UCE

超過一定的數(shù)值時,三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.集電極最大允許耗散功耗PCM

PCM取決于三極管允許的溫升,消耗功率過大,溫升過高會燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結(jié)溫約為150C,鍺管約為7090C。ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEO晶體管參數(shù)與溫度的關(guān)系(1)溫度每增加10C,ICBO增大一倍。硅管優(yōu)于鍺管。(2)溫度每升高1C,UBE將減小–(2~2.5)mV,

即晶體管具有負溫度系數(shù)。(3)溫度每升高1C,

增加0.5%~1.0%。4.4場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管是利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件,即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小,基本上不需要信號源提供電流,所以它的輸入電阻高,且溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)不同場效應(yīng)管有兩種:絕緣柵型場效應(yīng)管本節(jié)僅介紹絕緣柵型場效應(yīng)管按工作狀態(tài)可分為:增強型和耗盡型兩類,每類又有N溝道和P溝道之分漏極D柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的,稱絕緣柵型場效應(yīng)管。金屬電極1.N溝道增強型管的結(jié)構(gòu)柵極G源極S4.4.1增強型絕緣柵場效應(yīng)管SiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)GSD符號:

由于柵極是絕緣的,柵極電流幾乎為零,輸入電阻很高,最高可達1014。漏極D金屬電極柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅,故又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管,簡稱MOS場效應(yīng)管。2.N溝道增強型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結(jié)構(gòu)圖可見,N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開,漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結(jié)。

當(dāng)柵源電壓UGS=0時,不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何,其中總有一個PN結(jié)是反向偏置的,反向電阻很高,漏極電流近似為零。SDEGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當(dāng)UGS>0時,P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達表層,填補空穴形成負離子的耗盡層;N型導(dǎo)電溝道在漏極電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID,管子導(dǎo)通。當(dāng)UGS>UGS(th)時,出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道,將D-S連接起來。UGS愈高,導(dǎo)電溝道愈寬。EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導(dǎo)電溝道當(dāng)UGS

UGS(th)后,場效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道,開始導(dǎo)通,若漏–源之間加上一定的電壓UDS,則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。所以,場效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件。

在一定的漏–源電壓UDS下,使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。3.特性曲線有導(dǎo)電溝道轉(zhuǎn)移特性曲線無導(dǎo)電溝道開啟電壓UGS(th)UDSUGS/ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏極特性曲線恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)N型襯底P+P+GSD符號:結(jié)構(gòu)4.P溝道增強型SiO2絕緣層加電壓才形成

P型導(dǎo)電溝道

增強型場效應(yīng)管只有當(dāng)UGS

UGS(th)時才形成導(dǎo)電溝道。4.4.2耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管GSD符號:

如果MOS管在制造時導(dǎo)電溝道就已形成,稱為耗盡型場效應(yīng)管。1.N溝道耗盡型管SiO2絕緣層中摻有正離子予埋了N型導(dǎo)電溝道

由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道,所以在UGS=0時,若漏–源之間加上一定的電壓UDS,也會有漏極電流ID產(chǎn)生。

當(dāng)UGS>0時,使導(dǎo)電溝道變寬

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