Semiconductores - Escuela de Ingeniería Electrónica

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Semiconductores
Modelo de Enlace
Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Semiconductores
Lección 01.1
Ing. Jorge Castro-Godı́nez
EL2207 Elementos Activos
Escuela de Ingenierı́a Electrónica
Instituto Tecnológico de Costa Rica
I Semestre 2014
Jorge Castro-Godı́nez
Semiconductores
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Semiconductores
Modelo de Enlace
Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Contenido
1
Semiconductores
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
2
Modelo de Enlace
3
Modelo de Bandas de Energı́a
Concepto de hueco
4
Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Jorge Castro-Godı́nez
Semiconductores
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Modelo de Enlace
Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Elementos Activos
Elementos pasivos
No pueden otorgar energı́a en un tiempo infinito.
No permiten amplificación de voltaje o corriente.
¿Elementos activos?
Elementos que pueden otorgar energı́a en un tiempo infinito
(por ejemplo, fuentes) o bien
Elementos que permiten la amplificación de voltaje o corriente
(por ejemplo, transistores)
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Semiconductores
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Modelo de Enlace
Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Clasificación de materiales
(1)
Desde la perspectiva eléctrica los materiales, según su
conductividad, se clasifican en:
Conductores
Semiconductores
Aislantes
Pero..., ¿qué es conductividad?
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Conductividad
Medida de la capacidad de un material de dejar pasar la
corriente eléctrica
Es el inverso de la resistividad
σ = 1/ρ
(Unidades S/m o Ω−1 m−1 )
Recordar que la resistividad se define como:
ρ=R
A
l
Depende de:
Estado de agregación del material
Estructura cristalina
Temperatura
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Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Clasificación de materiales
(2)
Más de 25 órdenes de magnitud.
Valores de conductividad en algunos materiales.
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Clasificación de materiales
(3)
¿Qué sucede si se aplica un campo eléctrico a estos materiales?
Aislantes
Fenómenos de polarización
Formación de dipolos eléctricos
Conductores
Conducción: movimiento de electrones libres.
¿Semiconductores?
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Sólidos cristalinos
(1)
Amorfos: átomos no siguen ningún orden, no forman
estructura regular.
Policristalinos: segmentos cristalinos, no existe estructura
regular en todo el material.
Cristalinos: átomos forman estructura regular en todo el
material.
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Sólidos cristalinos
(2)
Sólidos amorfos, policristalinos y sólidos cristalinos.
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Sólidos cristalinos
(3)
Semiconductores utilizados principalmente en estado
cristalino.
Material ultrapuro.
Ordenamiento regular de los átomos en todo el cristal.
Celdas unitarias: unidad de volumen con un ordenamiento de
átomos que, repetida en el sólido, forma la estructura del
cristal.
Silicio
Semiconductor dominante en microelectrónica.
Abundancia.
Posibilidad de obtención de material de alta pureza.
Excelentes propiedades aislantes SiO2 .
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Pureza
Rastros extremadamente pequeños de átomos de impurezas,
conocidos como dopantes, ocacionan un efecto drástico en las
propiedades eléctricas de los semiconductores.
Semiconductores modernos son considerados de los sólidos
más puros.
En Si, el contenido involuntario de átomos dopantes es
generalmente menor a 1 átomo de impureza / 109 átomos de
Si.
Impurezas de manera controlada: desde 1/108 hasta 1/103 .
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Concepto de equilibrio
Estado sin perturbaciones de un sistema.
Bajo condiciones de equilibrio no hay tensiones (voltajes)
externos, campos magnéticos, estrés o cualquier otra fuerza
perturbadora activa que actue sobre el semiconductor.
Condición de reposo, provee un excelente marco de referencia.
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Átomo de Silicio
Los electrones poseen energı́a potencial negativa, y cuanto más
cerca se encuentran del núcleo del átomo, menor energı́a poseen.
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Estructura atómica
(1)
Estructura del átomo: núcleo y nube electrónica. Esta última
es una organización espacial.
Número cuántico principal n: Indica nivel de energı́a y
distancia del nivel respecto al núcleo.
Orbitales: zonas de alta probablidad de encontrar los
electrones y subniveles de energı́a.
Forma descrita por la ecuación de Schrödinger.
Orientación de los orbitales: número cuántico m.
Spin, último número cuántico: sentido de giro.
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Estructura atómica
(2)
Átomo de H y la luz emitida a ciertos valores de longitud de
onda discretos.
Para un cierto nivel energı́a, equivalente a cierta longitud de
onda, un electrón puede tener diferentes estados.
Para el Si, el últmo nivel de energı́a (n = 3), es llamado nivel
de valencia y posee los electrones con mayor energı́a.
La cantidad de electrones de valencia, 4 para el Si, determina
cómo un elemento reacciona e interactúa con otros.
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Estructura atómica
(2)
Diagrama de niveles energéticos en un átomo.
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Estructura atómica
(3)
El ordenamiento de los elementos en la tabla periódica se realiza
de acuerdo a estos números.
Los metales y metaloides son de interés para el curso.
Sección de la tabla periódica.
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Portadores de carga
Clasificación de materiales
Cristales
Estructura atómica
Modelo electrónico
Fundamentos
Ecuación de Schrödinger
Relacionada con la probabilidad de encontrar un electrón en un
lugar en el espacio.
Principio de exclusión de Pauli
Dos electrones en un mismo sistema cuántico ligado no pueden
tener los mismos números cuánticos al mismo tiempo.
Esta condición debe cumplirse siempre, ya sea para átomos
aislados o para conjuntos de átomos.
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Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Modelo de Enlace
(1)
Esquema de representación de un átomo aislado de Si.
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Portadores de carga
Modelo de Enlace
(2)
Modelo de enlace.
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Portadores de carga
Modelo de Enlace
(3)
Modelo de enlace.
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Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Concepto de hueco
Formación de bandas de energı́a
(1)
Los electrones solo pueden tener valores discretos de energı́a.
Cuando los átomos se aproximan unos a otros, los niveles de
energı́a se desdoblan en niveles de energı́a muy próximos.
Modificación en los estados de energı́a de los electrones de
valencia.
Da lugar a la formación de bandas de energı́a:
conjunto de niveles de energı́a electrónicos.
estados permitidos.
regiones de probabilidad de encontrar al electrón.
3 bandas energéticas:
Conducción.
Valencia.
Prohibida.
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Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Concepto de hueco
Formación de bandas de energı́a
(2)
Energı́a y su relación con la separación interatómica.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Formación de bandas de energı́a
(3)
Formación de bandas energéticas.
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Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Concepto de hueco
Modelo de bandas de energı́a
(1)
Este fenómeno de desdoblamiento es completamente general y
se presenta también en los sólidos con enlace covalente.
Semiconductores y metales poseen cerca de 1022 átomos/cm3
La continuidad de energı́a permite establecer el concepto de
bandas de energı́a con un ancho de unos cuantos
electrón-voltios.
El gráfico de los estados energéticos permitidos para los
electrones, en función de la posición, es el modelo básico de
bandas de energı́a.
Los niveles excitados, aunque no estén ocupados por
electrones, están sujetos a un doblamiento.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Modelo de bandas de energı́a
(2)
Banda de valencia:
Nivel de energı́a más alto que está lleno a 0K.
Electrones no participan en conducción.
Electrones de esta banda forman enlaces con otros átomos.
Banda prohibida (Eg ):
Brecha energética (energy gap).
Banda de estados prohibidos para el electrón.
Energı́a necesaria para mover un electrón de la banda de
valencia a la banda de conducción.
No existen estados energéticos posibles para los electrones de
enlace.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Modelo de bandas de energı́a
(3)
Banda de conducción:
Nivel de energı́a separado de la banda de valencia por la banda
prohibida.
Electrones participan en conducción
Bandas energéticas.
La cantidad de niveles vacı́os a diferentes valores de energı́a
incide en la conductividad.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Modelo de bandas de energı́a
(4)
Desarrollo conceptual del modelo de bandas de energı́a.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Modelo de bandas de energı́a
(5)
Desarrollo conceptual del modelo de bandas de energı́a.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Modelo de bandas de energı́a
(6)
Sin portadores.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Modelo de bandas de energı́a
(7)
El electrón.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Modelo de bandas de energı́a
(8)
El hueco.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Concepto de hueco
El concepto de hueco es una representación de la banda de
valencia con un estado electrónico vacı́o
Estado vacı́o representado por una partı́cula de carga positiva,
con igual magnitud de carga que el electrón
Los electrones se mueven en la banda de conducción, los
huecos se mueven en la banda de valencia
Electrones y huecos interactúan en el proceso de conducción
de corriente de huecos
Masa efectiva de hueco es de 2 a 3 veces mayor que la de
electrón.
La masa efectiva: toma en cuenta el efecto del potencial del
cristal y permite tratar a la partı́cula como si fuera una
partı́cula libre en el vacı́o
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Corriente de huecos
(1)
El movimiento de los portadores de carga libres (e− y h+ )
ocaciona un flujo de corriente en el semiconductor.
Corriente de huecos
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Corriente de huecos
(2)
En la medida que los electrones se desplazan a la izquierda
(según el marco de referencia de la imagen), el hueco se
mueve a la derecha. Esto constituye una corriente de huecos.
La corriente de huecos posee la misma dirección que la
corriente técnica.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Generación y Recombinación
Generación:
Transición de un electrón de la banda de valencia a la banda
de conducción.
Se genera un hueco en la banda de valencia.
Este es el proceso de generación de pares electrón-hueco.
Recombinación:
Transición de un electrón de la banda de conducción a la
banda de valencia.
Elimina un hueco en la banda de valencia.
Eliminación o aniquilación de par electrón-hueco.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Causas de Generación y Recombinación
Energı́a Térmica:
Generación térmica directa: Ruptura de enlaces debido a
vibración causada por temperatura.
Recombinación térmica directa: Liberación de calor debido a la
aniquilación de los pares electrón-hueco.
Energı́a Lumı́nica:
Fotones transfieren energı́a a un electrón para pasar de la
banda de valencia a la de conduccón.
Electrones liberan fotones al pasar de la banda de conducción
a la de valencia.
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Portadores de carga
Concepto de hueco
Clasificación de materiales
1eV = 1,6 × 10−19 J
Clasificación de materiales - perspectiva energética.
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Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores en estado puro y perfectamente cristalizados.
Huecos y electrones son denominados portadores de carga o
portadores intrı́nsecos.
Ev y Ec considerados como valores de energı́a potencial
(desde un cierto nivel de referencia).
E − Ec se interpreta como energı́a cinética asociada al
movimiento de los electrones en la banda de conducción.
Análogamente con Ev − E
Evac (E0 ) usado como nivel de referencia, la energı́a de un
electrón en reposo fuera del cristal.
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Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Fenómeno de conducción
Tanto e− como h+ pueden participar directamente en los
procesos de conducción.
Considerese una diferencia de potencial ∆V = V2 − V1 , donde
V2 > V1 , que se aplica a una sección L de un material
semiconductor.
∆V ocaciona que tanto Ec y Ev deban presentarse inclinadas.
La pendiente de las bandas de energı́a en cada punto del
semiconductor es proporcional al valor del campo eléctrico en
ese punto.
Movimiento de e− en sentido opuesto al campo, mientras que
el h+ se mueve en sentido contrario al e− , o sea, en la
dirección del campo.
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Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Fenómeno de excitación de portadores
(1)
En equilibrio térmico existe un proceso contı́nuo de excitación
de electrones desde la banda de valencia a la de conducción.
Estos a su vez están compensados por procesos de
recombinación.
En un semiconductor intrı́nseco, que se encuentra en
equilibrio térmico, a una temperatura dada, la concentración
de electrones en la banda de conducción, n, debe ser igual a
la de huecos en al banda de valencia, p, esto es n = p
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Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Fenómeno de excitación de portadores
(2)
Se define ni como la contración intrı́nseca de portadores,
donde
ni (T ) = n = p
ni es una función de la temperatura, donde a mayor
temperatura del cristal, mayor valor de ni
Además ni depende del valor de Eg , entre menor sea, más e−
tienen energı́a de excitación suficiente para romper su enlace y
pasar a la banda de conducción.
Los pares electrón-hueco no se encuentran en una posición
estática
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Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Dopado
El dopado consiste en introducir impurezas (átomos)
substitucionales en un material intrı́nseco (puro) para
modificar su conductividad eléctrica.
Los materiales dopados se conocen como materiales
extrı́nsecos.
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Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
La conductividad en un semiconductor puro es una magnitud
muy sensible a los cambios de temperatura.
Se desea un comportamiento lo más estable con la
temperatura.
Introducción de átomos de diferente valencia en la estructura
cristalina del semiconductor ocaciona que la conductividad
esté dominada por la concentración y naturaleza de átomos
añadidos o impurezas.
Semiconductor extrı́nseco o dopado.
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Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Semiconductor tipo n
Dopado con átomos de valencia +5.
Existen un quinto e− que no participa en el enlace y
está débilmente ligado al átomo.
A temperatura ambiente e− posee suficiente energı́a (térmica)
para moverse con libertad en el cristal.
Impurezas de este tipo se conocen como donadoras.
n puede ser completamente diferente a p, n > p
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Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Semiconductor tipo p
Dopado con átomos de valencia +3.
A temperatura ambiente prácticamente todos los átomos de
impurezas están ionizados. Aparece en la banda de valencia
una cantidad de huecos aproximadamente igual a la cantidad
de impurezas
Impurezas aceptoras.
En este caso, p > n
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Portadores
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Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Algunos datos
Energı́a de excitación Ec − Ed o Ea − Ev
A temperatura ambiente la cantidad de portadores extrı́nsecos
generados es mayor que ni
En Si, 1022 átomos por cm3 , ni ≈ 1010 /cm3 . Si se desea
contar con una concentración de portadores extrı́nsecos de
104 veces mayor, se debe agregar 1 átomo de impurezas por
cada 108 átomos de Si.
La adición de impurezas es un proceso controlado.
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Portadores
(1)
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Semiconductores Extrı́nsecos
Portadores
(2)
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Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Portadores
(3)
Ec − ED = |EB | ' (1/20)EG (Si)
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Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Concentración vs Temperatura
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Portadores
(4)
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Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Diagramas de bandas de energı́a
La energı́a en función de la posición.
En un diagrama de bandas se define para un electrón que
V =
E
−q
Estructura básica del diagrama de bandas de energı́a de un
semiconductor.
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Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Función de trabajo y afinidad electrónica
1
(1)
Nivel de vacı́o
Nivel de referencia.
Nivel de energı́a a la cual un electrón se ha liberado del
material de procedencia, es decir, no ligado al sólido.
Evacio , Evac , E0 .
2
Afinidad electrónica (χ).
Energı́a que un electrón en la banda de conducción debe ganar
para convertirse en un electrón liberado del material.
Definida para semiconductores.
Se define solo para no metales.
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Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Función de trabajo y afinidad electrónica
1
(2)
Función de trabajo (φ, ϕ, Φ, Φ)
Diferencia de energı́a entre el nivel de vacı́o y el nivel de Fermi.
2
Nivel de Fermi intrı́nseco
Nivel de Fermi intrı́nseco ubicado aproximadamente en la
mitad de la banda prohibida.
Dopado modifica el nivel de Fermi de un material intrı́nseco de
acuerdo con la intensidad y el tipo de impureza.
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Modelo de Bandas de Energı́a
Portadores de carga
Semiconductores Intrı́nsecos
Semiconductores Extrı́nsecos
Referencias Bibliográficas I
J. M. Albella et al.
Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica.
Pearson, 1era edición, 2005.
R. Pierret.
Semiconductor Device Fundamentals
Adisson-Wesley, 1996.
Jorge Castro-Godı́nez
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