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अर्धचालक: गुण और प्रकार | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

सेमीकंडक्टर्ससंवहनकर्ताओं (सामान्यतः धातुओं) और गैर-चालक या इन्सुलेटर्स (जैसे कि सिरेमिक) के बीच होती है। सेमीकंडक्टर्स यौगिक हो सकते हैं जैसे गैलियम आर्सेनाइड या शुद्ध तत्व, जैसे जर्मेनियम या सिलिकॉन। भौतिकी सेमीकंडक्टर्स के लिए सिद्धांतों, गुणों और गणितीय दृष्टिकोण को समझाती है।

सेमीकंडक्टर्स के गुण

सेमीकंडक्टिंग तत्व टेट्रावेलेंट होते हैं, अर्थात् इनके बाहरी कक्ष में चार इलेक्ट्रॉन्स होते हैं।
इनकी क्रिस्टल संरचना फेस सेंटर क्यूबिक (F.C.C.) होती है।
इलेक्ट्रॉन्स या कोटर्स की संख्या दी गई है अर्थात् तापमान बढ़ाने पर, वर्तमान वाहकों की संख्या बढ़ती है।
यह अनचार्ज्ड होते हैं।
सेमीकंडक्टर शून्य केल्विन पर एक इन्सुलेटर की तरह कार्य करता है। तापमान बढ़ाने पर, यह एक चालक के रूप में कार्य करता है।
उनकी असाधारण विद्युत गुणों के कारण, सेमीकंडक्टर्स को doping द्वारा संशोधित किया जा सकता है ताकि सेमीकंडक्टर उपकरणों को ऊर्जा रूपांतरण, स्विच और एम्प्लीफायर के लिए उपयुक्त बनाया जा सके।
कम पावर लॉस।
सेमीकंडक्टर्स का आकार छोटा होता है और इनका वजन कम होता है।
इनकी प्रतिरोधिता चालकों से अधिक लेकिन इन्सुलेटर्स से कम होती है।
सेमीकंडक्टर सामग्रियों का प्रतिरोध तापमान बढ़ने पर घटता है और इसके विपरीत।

होल्स या कोटर्स

(i) वैलेंस बैंड में कोवेलेंट बंधन के निर्माण में इलेक्ट्रॉन्स की कमी को होल या कोटर के रूप में परिभाषित किया जाता है।
(ii) ये सकारात्मक चार्जित होते हैं। इन पर सकारात्मक चार्ज का मान इलेक्ट्रॉन चार्ज के बराबर होता है।
(iii) इनका प्रभावी द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन्स से कम होता है।
(iv) एक बाहरी विद्युत क्षेत्र में, होल्स इलेक्ट्रॉन्स की दिशा के विपरीत चलते हैं, अर्थात् ये सकारात्मक से नकारात्मक टर्मिनल की ओर चलते हैं।
(v) ये वर्तमान प्रवाह में योगदान देते हैं।
(vi) होल्स तब उत्पन्न होते हैं जब वैलेंस बैंड में कोवेलेंट बंधन टूटते हैं।

इलेक्ट्रॉन्स का वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में स्थानांतरण

अर्धचालक: गुण और प्रकार | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE

सेमीकंडक्टर के प्रकार

सेमीकंडक्टर को निम्नलिखित प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है:

आंतरिक सेमीकंडक्टर
बाह्य सेमीकंडक्टर

आंतरिक सेमीकंडक्टर सामग्री को रासायनिक रूप से बहुत शुद्ध बनाया जाता है। यह केवल एक ही प्रकार के तत्व से बना होता है।

आंतरिक सेमीकंडक्टर के मामले में संचलन तंत्र:

(क) विद्युत क्षेत्र के बिना
(ख) विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति में

जर्मेनियम (Ge) और सिलिकॉन (Si) सबसे आम प्रकार के आंतरिक सेमीकंडक्टर तत्व हैं। इनके पास चार वैलेन्स इलेक्ट्रॉन होते हैं (टेट्रावैलेंट)। ये पूर्ण शून्य तापमान पर परमाणु के साथ कोवेलेंट बंधन द्वारा बंधे होते हैं। जब तापमान बढ़ता है, टकराव के कारण कुछ इलेक्ट्रॉन मुक्त हो जाते हैं और जालिका के माध्यम से चलने के लिए स्वतंत्र हो जाते हैं, जिससे उनके मूल स्थिति में एक खाली स्थान (होल) बनता है। ये मुक्त इलेक्ट्रॉन और होल सेमीकंडक्टर में विद्युत संचलन में योगदान करते हैं। नकारात्मक और सकारात्मक चार्ज कैरियर्स की संख्या समान होती है। ऊष्मीय ऊर्जा कुछ परमाणुओं को आयनित करने में सक्षम होती है, और इसलिए उनकी संवहनता कम होती है।

➢ शुद्ध सिलिकॉन सेमीकंडक्टर का जालिका विभिन्न तापमान पर:

पूर्ण शून्य केल्विन तापमान पर: इस तापमान पर, कोवेलेंट बंधन बहुत मजबूत होते हैं और कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं होते हैं, और सेमीकंडक्टर एक पूर्ण इंसुलेटर के रूप में कार्य करता है।
पूर्ण शून्य तापमान से ऊपर: तापमान में वृद्धि के साथ, कुछ वैलेन्स इलेक्ट्रॉन संचलन बैंड में कूद जाते हैं और इसलिए यह एक कमजोर चालक के रूप में कार्य करता है।

➢ आंतरिक सेमीकंडक्टर का ऊर्जा बैंड आरेख

एक अंतर्निहित अर्धचालक का ऊर्जा बैंड आरेख नीचे दिखाया गया है:

(क) अंतर्निहित अर्धचालक जब T = 0 केल्विन पर होता है, तो यह एक इंसुलेटर की तरह व्यवहार करता है।
(ख) जब t > 0 होता है, तब चार तापीय रूप से उत्पन्न इलेक्ट्रॉन जोड़े उत्पन्न होते हैं।

अंतर्निहित अर्धचालकों में, धारा मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों (holes) की गति के कारण बहती है। कुल धारा, तापीय रूप से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों के कारण इलेक्ट्रॉन धारा Ie और छिद्र धारा Ih का योग होती है।
कुल धारा (I) = Ie + Ih

अर्धचालकों की चालकता को impurities नामक उपयुक्त प्रतिस्थापन परमाणुओं की एक छोटी संख्या को जोड़कर काफी बढ़ाया जा सकता है।

शुद्ध अर्धचालक में impurity परमाणुओं को जोड़ने की प्रक्रिया को doping कहा जाता है।
आम तौर पर, केवल 1 परमाणु में 10⁷ एक dopant परमाणु द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है।

तालिका: अंतर्निहित और बाह्य अर्धचालकों के बीच अंतर

आंतरिक सेमिकंडक्टर और बाह्य सेमिकंडक्टर के बीच तुलना:

S.No.	आंतरिक सेमिकंडक्टर	बाह्य सेमिकंडक्टर
1.	शुद्ध Ge या Si को आंतरिक सेमिकंडक्टर कहा जाता है।	इसमें अशुद्धता मिलाने से बनने वाला सेमिकंडक्टर बाह्य सेमिकंडक्टर कहलाता है।
2.	इनकी विद्युत चालकता कम होती है (क्योंकि केवल एक इलेक्ट्रॉन 10⁹ में योगदान देता है)।	इनकी विद्युत चालकता उच्च होती है।
3.	मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या (कंडक्शन बैंड में म इलेक्ट्रॉनों की संख्या वैलेन्स बैंड में होलों की संख्या पाई के बराबर है।)	इनमें n_i ≠ पाई।
4.	इनका व्यावहारिक उपयोग नहीं होता।	इनका व्यावहारिक उपयोग होता है।
5.	इनमें ऊर्जा अंतराल बहुत छोटा होता है।	इनमें ऊर्जा अंतराल शुद्ध सेमिकंडक्टर की तुलना में अधिक होता है।
6.	इनमें फर्मी ऊर्जा स्तर वैलेन्स बैंड और कंडक्शन बैंड के बीच में होता है।	इनमें फर्मी स्तर वैलेन्स या कंडक्शन ऊर्जा बैंड की ओर खिसकता है।

➢ बाह्य सेमिकंडक्टर के गुण:

शून्य तापमान (0 K) पर इनमें कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं होते।
कमरे के तापमान पर, पर्याप्त संख्या में इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न होते हैं।
विद्युत चालकता इलेक्ट्रॉनों और होलों दोनों के माध्यम से होती है।
इलेक्ट्रॉनों और होलों की ड्रिफ्ट गति अलग होती है।
इलेक्ट्रॉनों की ड्रिफ्ट गति (V_dn) होलों (V_dp) की तुलना में अधिक होती है।
कुल धारा I = I_n + J_p है।
जोड़ने वाली तारों में धारा केवल इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से बहती है।
धारा घनत्व इस प्रकार दिया जाता है: जहाँ V_dn = इलेक्ट्रॉनों की ड्रिफ्ट गति, μ_n = इलेक्ट्रॉनों की गतिशीलता, V_dp = होलों की ड्रिफ्ट गति, μ_p = होलों की गतिशीलता।
विद्युत चालकता s = n q (m_n m_p) द्वारा दी जाती है।
इलेक्ट्रॉन की गतिशीलता m_n = V_dn / E।
होल्स की गतिशीलता m_p = V_dp / E।
कमरे के तापमान पर s_Ge > s_Si क्योंकि n_Ge > n_Si जहाँ n_Ge = 2.5 × 10¹³/cm³ और n_Si = 1.4 × 10¹⁰/cm³ है।

N-प्रकार सेमिकंडक्टर

मुख्यतः इलेक्ट्रॉनों के कारण

पूर्णतः तटस्थ
I = Ih और nh >> ne
बहुसंख्यक – इलेक्ट्रॉन और अल्पसंख्यक – होल
जब एक शुद्ध सेमीकंडक्टर (सिलिकॉन या जर्मेनियम) को पेंटावेलेंट अशुद्धता (P, As, Sb, Bi) से डोप किया जाता है, तो पांच में से चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन जर्मेनियम या सिलिकॉन के चार इलेक्ट्रॉनों के साथ बंध जाते हैं।
डोपेंट का पाँचवां इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र हो जाता है। इस प्रकार, अशुद्धता परमाणु लट्टिस में संचालन के लिए एक स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन दान करता है और इसे “डोनर” कहा जाता है।
चूंकि अशुद्धता के जोड़ने से स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ती है, नकारात्मक चार्ज वाहक भी बढ़ते हैं। इसलिए, इसे n-प्रकार का सेमीकंडक्टर कहा जाता है।
संपूर्ण क्रिस्टल तटस्थ होता है, लेकिन डोनर परमाणु एक स्थिर सकारात्मक आयन बन जाता है। चूंकि संचालन एक बड़ी संख्या में स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों के कारण होता है, n-प्रकार के सेमीकंडक्टर में इलेक्ट्रॉन बहुसंख्यक वाहक होते हैं और होल अल्पसंख्यक वाहक होते हैं।

P-प्रकार का सेमीकंडक्टर

मुख्यतः होल के कारण
पूर्णतः तटस्थ
I = Ih और nh >> ne
बहुसंख्यक – होल और अल्पसंख्यक – इलेक्ट्रॉन
जब एक शुद्ध सेमीकंडक्टर को त्रिवेलेंट अशुद्धता (B, Al, In, Ga) से डोप किया जाता है, तो अशुद्धता के तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन सेमीकंडक्टर के चार वैलेंस इलेक्ट्रॉनों में से तीन के साथ बंध जाते हैं।
इससे अशुद्धता में एक इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति (होल) छोड़ दी जाती है। ये अशुद्धता परमाणु जो बंधित इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करने के लिए तैयार होते हैं, उन्हें “एक्सेप्टर्स” कहा जाता है।
अशुद्धताओं की संख्या में वृद्धि के साथ, होल (सकारात्मक चार्ज वाहक) बढ़ते हैं। इसलिए, इसे p-प्रकार का सेमीकंडक्टर कहा जाता है।
संपूर्ण क्रिस्टल तटस्थ होता है, लेकिन एक्सेप्टर्स स्थिर नकारात्मक आयन बन जाते हैं। चूंकि संचालन एक बड़ी संख्या में होल के कारण होता है, p-प्रकार के सेमीकंडक्टर में होल बहुसंख्यक वाहक होते हैं और इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक वाहक होते हैं।

तालिका: N-प्रकार और P-प्रकार के सेमीकंडक्टरों के बीच का अंतर

N-प्रकार के अर्धचालक:

इनमें कुछ पेंटावैलेंट तत्वों जैसे P, As, Sb, Bi आदि की अशुद्धता मिलाई जाती है।
इनमें अशुद्धता के परमाणु एक इलेक्ट्रॉन दान करते हैं, इसलिए इन्हें दानकर्ता प्रकार के अर्धचालक कहा जाता है।
इनमें इलेक्ट्रॉन बहुसंख्यक धारा वाहक होते हैं और होल्स अल्पसंख्यक धारा वाहक होते हैं (यानी इलेक्ट्रॉन घनत्व होल घनत्व से अधिक है, nn >> np)।
इनमें नकारात्मक कणों (इलेक्ट्रॉनों) की बहुसंख्या होती है और इसलिए इन्हें N-प्रकार के अर्धचालक कहा जाता है।
इनमें दाता ऊर्जा स्तर संवाहक बैंड के निकट और वैलेंस बैंड से दूर होता है।

P-प्रकार के अर्धचालक:

इनमें कुछ त्रिवैलेंट तत्वों जैसे B, Al, In, Ga आदि की अशुद्धता मिलाई जाती है।
इनमें अशुद्धता के परमाणु एक इलेक्ट्रॉन स्वीकार करते हैं, इसलिए इन्हें स्वीकर्ता प्रकार के अर्धचालक कहा जाता है।
इनमें होल्स बहुसंख्यक धारा वाहक होते हैं और इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक धारा वाहक होते हैं (यानी np >> nn)।
इनमें सकारात्मक कणों (होल्स) की बहुसंख्या होती है और इसलिए इन्हें P-प्रकार के अर्धचालक कहा जाता है।
इनमें स्वीकर्ता ऊर्जा स्तर वैलेंस बैंड के निकट और संवाहक बैंड से दूर होता है।

P-N जंक्शन का निर्माण

P-N जंक्शन का निर्माण

(a) P-प्रकार के सेमीकंडक्टर की एक वेफर को N-प्रकार के सेमीकंडक्टर की वेफर के साथ परमाणु स्तर पर जोड़ने से जो उपकरण बनता है, उसे P-N जंक्शन कहा जाता है।

(b) जंक्शन बनाने की तीन प्रक्रियाएँ हैं:

(i) विसरण (Diffusion)
(ii) मिश्रण (Alloying)
(iii) वृद्धि (Growth)

अधिकांश मामलों में, P-N जंक्शन विसरण प्रक्रिया द्वारा बनाया जाता है। अशुद्धता का घनत्व सतह पर अधिकतम होता है और सेमीकंडक्टर के भीतर धीरे-धीरे घटता है।

(i) P-N जंक्शन में P-क्षेत्र में बहुसंख्यक कॉटन और N-क्षेत्र में बहुसंख्यक इलेक्ट्रॉन घनत्व अंतर और तापीय विक्षोभ के कारण क्रमशः N-क्षेत्र और P-क्षेत्र की ओर विसरित होने लगते हैं और क्रमशः इलेक्ट्रॉनों और कॉटन के साथ मिलकर तटस्थ बन जाते हैं।
(ii) इस तटस्थकरण की प्रक्रिया में जंक्शन के निकट मुक्त धारा वाहकों की कमी हो जाती है और N-क्षेत्र में सकारात्मक आयनों और P-क्षेत्र में नकारात्मक आयनों की परतें बनती हैं। ये आयन गतिहीन होते हैं। इसके कारण जंक्शन पर एक काल्पनिक बैटरी या आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनता है जो N से P की ओर निर्देशित होता है।

(a) P-N जंक्शन के दोनों ओर का क्षेत्र जहां मुक्त धारा वाहकों की कमी होती है, उसे depletion layer कहा जाता है।
(b) इसकी मोटाई लगभग 1 माइक्रो मीटर (= 10–6) होती है।
(c) इसके दोनो ओर विपरीत स्वभाव के आयन होते हैं, अर्थात् N-पक्ष पर दाता आयन (ve) और P-पक्ष पर स्वीकारकर्ता आयन (–ve)।

(d) यह मुक्त धारा वाहकों को जंक्शन के पार जाने से रोकता है और परिणामस्वरूप जंक्शन पर एक संभावित बाधा बनती है।

(e) इस परत के अंत के बीच की संभाव्यता अंतर को संपर्क संभाव्यता या संभाव्यता बाधा (VB) के रूप में परिभाषित किया गया है।

(f) VB का मान 0.1 से 0.7 वोल्ट के बीच होता है, जो जंक्शन के तापमान पर निर्भर करता है। यह अर्धचालक की प्रकृति और डोपिंग सांद्रता पर भी निर्भर करता है। जर्मेनियम और सिलिकॉन के लिए इसके मान क्रमशः 0.3 V और 0.7 V हैं।

(h) डायोड का प्रतीकात्मक प्रतिनिधित्व:

(ii) धारा प्रवाह की दिशा को तीर के सिर द्वारा प्रदर्शित किया जाता है।

(iii) संतुलन स्थिति में जंक्शन डायोड में धारा प्रवाहित नहीं होती है।

(iv) इसे एक कंडेंसर के समकक्ष माना जा सकता है जिसमें रिक्ति परत एक डाईइलेक्ट्रिक के रूप में कार्य करती है।

(v) P-N जंक्शन पर संभाव्यता दूरी वक्र

(vi) P-N जंक्शन पर चार्ज घनत्व वक्र

(vii) P-N जंक्शन के पास विद्युत क्षेत्र और दूरी के बीच वक्र

p-n जंक्शन डायोड

एक अर्धचालक डायोड एक p-n जंक्शन है जिसमें बाहरी वोल्टेज के अनुप्रयोग के लिए अंत में धात्विक संपर्क प्रदान किए गए हैं।
इस प्रकार, p-n जंक्शन डायोड एक दो टर्मिनल उपकरण है जिसे इस प्रकार प्रदर्शित किया जाता है।
संतुलन संभाव्यता बाधा को डायोड के पार एक बाहरी वोल्टेज V लगाने से बदला जा सकता है।

p-n जंक्शन को बायस करने के दो तरीके हैं - फॉरवर्ड बायस और रिवर्स बायस।

फॉरवर्ड बायसिंग

यदि बाहरी बैटरी का सकारात्मक टर्मिनल p-पक्ष से जोड़ा जाता है और नकारात्मक टर्मिनल n-पक्ष से जोड़ा जाता है, तो p-n जंक्शन को फॉरवर्ड बायस कहा जाता है।
लागू वोल्टेज V की दिशा जंक्शन पर स्थापित संभाव्यता बाधा की दिशा के विपरीत होती है।
इसके परिणामस्वरूप, रिक्ति परत की चौड़ाई कम हो जाती है और बाधा की ऊँचाई घटती है।
फॉरवर्ड बायस के तहत प्रभावी बाधा ऊँचाई VB - V होती है।
यदि लागू वोल्टेज V छोटा है, तो बाधा संभाव्यता केवल संतुलन मान से थोड़ी कम हो जाएगी। इसलिए, केवल कुछ संख्या में वाहक जंक्शन को पार करने की ऊर्जा रखेंगे। इस प्रकार, धारा कम है।
यदि लागू वोल्टेज V बड़ा है, तो बाधा संभाव्यता महत्वपूर्ण रूप से कम हो जाएगी। इसलिए, धारा महत्वपूर्ण है।
लागू वोल्टेज के कारण, n-पक्ष से इलेक्ट्रॉन रिक्ति क्षेत्र को पार करते हैं और p-पक्ष तक पहुँचते हैं। इसी तरह, p-पक्ष से होल n-पक्ष तक पहुँचते हैं।
जैसे ही इलेक्ट्रॉन p-पक्ष तक पहुँचते हैं और इलेक्ट्रॉन p-क्षेत्र में अल्पसंख्यक वाहक होते हैं, फॉरवर्ड बायस को अल्पसंख्यक वाहक इंजेक्शन भी कहा जाता है।
जंक्शन पर, अल्पसंख्यक वाहक की सांद्रता महत्वपूर्ण रूप से बढ़ जाती है।
सांद्रता ग्रेडिएंट के कारण, p-पक्ष पर इंजेक्ट किए गए इलेक्ट्रॉन p-पक्ष के जंक्शन किनारे से p-पक्ष के दूसरे अंत तक फैलते हैं।
इसी तरह, n-पक्ष पर इंजेक्ट किए गए होल n-पक्ष के जंक्शन किनारे से n-पक्ष के दूसरे अंत तक फैलते हैं।
दोनों ओर चार्ज वाहकों की गति धारा उत्पन्न करती है और इसे आमतौर पर mA में मापा जाता है।
कुल डायोड फॉरवर्ड धारा होल डिफ्यूजन धारा और इलेक्ट्रॉन डिफ्यूजन के कारण पारंपरिक धारा का योग है।

इसके परिणामस्वरूप, रिक्ति परत की चौड़ाई कम हो जाती है और बाधा की ऊँचाई घटती है। प्रभावी बाधा ऊँचाई फॉरवर्ड बायस के तहत VB - V होती है।

रिवर्स बायसिंग

यदि बाहरी बैटरी का सकारात्मक टर्मिनल n-पक्ष से जोड़ा गया है और बाहरी बैटरी का नकारात्मक टर्मिनल p-पक्ष से जोड़ा गया है, तो p-n जंक्शन को रिवर्स बायस्ड कहा जाता है। लागू वोल्टेज की दिशा बाधा संभाव्यता की दिशा के समान होती है। इसके परिणामस्वरूप, बाधा की ऊँचाई बढ़ जाती है और डिप्लेशन क्षेत्र विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन के कारण चौड़ा हो जाता है। प्रभावी बाधा ऊँचाई VB V है। यह n क्षेत्र से p क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों और p क्षेत्र से n क्षेत्र में होल्स के प्रवाह को दबा देता है। इसलिए, डिफ्यूजन करंट कम हो जाता है। जंक्शन का विद्युत क्षेत्र इस प्रकार की दिशा में होता है कि यदि p-पक्ष पर इलेक्ट्रॉन या n-पक्ष पर होल अपने यादृच्छिक गति में जंक्शन के करीब आते हैं, तो उन्हें उनकी बहुसंख्यक क्षेत्र की ओर खींच लिया जाएगा। इससे कुछ µA के क्रम का ड्रिफ्ट करंट उत्पन्न होता है। डायोड का रिवर्स करंट लागू वोल्टेज पर बहुत अधिक निर्भर नहीं होता है। यहां तक कि एक छोटा वोल्टेज भी जंक्शन के एक तरफ से दूसरी तरफ माइनॉरिटी कैरियर्स को खींचने के लिए पर्याप्त होता है। रिवर्स बायस के तहत करंट मूलतः वोल्टेज पर निर्भर नहीं होता है जब तक कि एक महत्वपूर्ण रिवर्स बायस वोल्टेज, जिसे ब्रेकडाउन वोल्टेज VBE कहा जाता है, तक नहीं पहुँच जाता। जब V = VBE होता है, तो डायोड का रिवर्स करंट तेजी से बढ़ता है। यदि करंट सीमित नहीं होता है, तो p-n जंक्शन नष्ट हो जाएगा।

प्रभावी बाधा ऊँचाई VB V है।

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