Comprendre les semi-conducteurs de type p
Plongeons dans le monde fascinant des semi-conducteurs, et plus particulièrement des semi-conducteurs de type p. La classification des semi-conducteurs en type p et type n est un concept vital en électronique et en ingénierie des matériaux. Elle sert de pierre angulaire à notre compréhension de nombreux appareils électroniques.Signification du semi-conducteur de type p
Asemi-conducteur de type p
Imagine une salle pleine de gens (où les gens représentent les électrons). Un siège vacant représente techniquement l'absence d'une personne, mais dans la réalité de la dynamique de la pièce, il agit comme un espace "positif" qui attend d'être rempli.
Le rôle des semi-conducteurs de type p dans l'ingénierie des matériaux
Le rôle principal d'un semi-conducteur de type p dans l'ingénierie des matériaux est la formation d'une jonction p-n, le principe de fonctionnement de nombreux appareils électroniques. Les semi-conducteurs de type p trouvent des applications considérables dans :- les cellules solaires
- Les diodes électroluminescentes (DEL)
- Les diodes
Différents composants d'un semi-conducteur de type p
Un semi-conducteur de type p est composé de plusieurs éléments :| Base du semi-conducteur | Le matériau de base du semi-conducteur, généralement du silicium ou du germanium. |
| Dopant | Un élément trivalent qui est ajouté à la base du semi-conducteur pour créer un excès de trous positifs. Il s'agit généralement de bore ou de gallium. |
| Trous | Les parties "positives" du semi-conducteur qui stimulent la conductivité électrique. |
Savais-tu que dans un semi-conducteur de type p, bien que les porteurs majoritaires soient des trous, il y a toujours quelques électrons libres présents, appelés porteurs minoritaires !
Analyse de la charge sur un semi-conducteur de type p
Il est essentiel de comprendre la charge d'un semi-conducteur de type p, car elle est directement liée au fonctionnement de ces semi-conducteurs et à leur utilité dans les circuits électroniques.Explication de la charge sur un semi-conducteur de type p
La charge d'un semi-conducteur de type p est différente de celle d'un semi-conducteur de type n. La principale différence réside dans les porteurs de charge majoritaires. Dans les semi-conducteurs de type n, il s'agit d'électrons, qui sont chargés négativement. En revanche, dans un semi-conducteur de type p, les porteurs de charge majoritaires sont des "trous". Bien que l'on dise généralement qu'il est chargé positivement, un "trou" est en fait l'absence d'un électron. Cette charge "positive" est due à l'électron manquant dans la bande de valence, qui apporterait autrement une charge négative. C'est ce qui crée les caractéristiques de charge uniques d'un semi-conducteur de type p. Le dopage d'un semi-conducteur avec un élément trivalent comme le bore crée ces trous, chaque atome de bore manquant un électron dans sa structure. Lorsqu'il fait partie d'un réseau de silicium, cet électron manquant est appelé "trou" et agit comme un endroit où les électrons d'autres atomes peuvent se déplacer. D'une certaine manière, le trou "attire" les électrons et semble donc se "déplacer" dans la direction opposée au mouvement de l'électron. Pour comprendre la charge dans les semi-conducteurs de type p, une formule utile est la suivante : \[ n_{p} = n_{i}^{2} / N_{A} \] Cette formule illustre le nombre de porteurs minoritaires (\(n_{p}\)) dans un semi-conducteur de type p, qui dépend de la concentration intrinsèque de porteurs (\(n_{i}\)) et de la concentration d'ions accepteurs (\(N_{A}\)).L'effet de la charge sur la fonctionnalité des semi-conducteurs de type p
La charge positive des trous au sein des semi-conducteurs de type p influence considérablement leur fonctionnement. En réalité, les trous dans l'atome ne "bougent" pas. Cependant, lorsqu'un électron se déplace pour remplir un trou, il laisse derrière lui un autre trou, créant ainsi l'apparence d'un mouvement de trou positif opposé au flux d'électrons. Ce mouvement apparent des trous est à la base du fonctionnement des semi-conducteurs de type p. Par exemple, dans une diode (formée d'une jonction p-n), lorsqu'une tension positive est appliquée de telle sorte que le semi-conducteur de type p est connecté à la borne négative, les trous sont poussés vers la jonction. Les applications électroniques dépendent fortement de la manipulation de ces trous et du fait qu'ils semblent offrir un mouvement de charge positif.Flux de courant : En réalité, le courant électrique est le flux d'électrons et il est dans la direction opposée à celle des "trous". Cependant, pour faciliter l'analyse et le calcul, on considère que le courant circule du côté positif (riche en trous = type p) vers le côté négatif (riche en électrons = type n).
Exploration de la conductivité d'un semi-conducteur de type p
Un aspect fascinant des semi-conducteurs de type p est leur capacité à conduire l'électricité. Cette propriété de conduire l'électricité est connue sous le nom de conductivité du semi-conducteur. La conductivité des semi-conducteurs de type p dépend en grande partie de la mobilité et de la concentration des porteurs de charge majoritaires, qui dans ce cas sont des trous.Comment fonctionne la conductivité d'un semi-conducteur de type p ?
La conductivité d'un semi-conducteur de type p dépend fondamentalement de l'existence et du mouvement des trous dans la structure du matériau semi-conducteur formé par le dopage d'un semi-conducteur avec un dopant trivalent. Rappelons que les atomes trivalents ont un électron de moins dans leur enveloppe extérieure que les atomes du semi-conducteur, ce qui crée des vides ou "trous". Au cours du processus de conduction, les électrons des atomes environnants sautent fréquemment dans ces trous, ce qui a pour effet de faire passer le trou d'un endroit à l'autre. Chaque fois qu'un électron remplit un trou, un autre trou est laissé à sa place initiale. Alors que l'électron se déplace sur une petite distance, il donne l'illusion d'un trou (porteur d'une charge positive) qui se déplace dans la direction opposée. En fait, plus le nombre de trous est important et plus ces déplacements sont rapides, mieux un semi-conducteur de type p conduit l'électricité. La conductivité d'un semi-conducteur de type p peut être calculée à l'aide de la formule suivante : \[ \sigma_p = q \cdot p \cdot \mu_p \] où : - \( \sigma_p \) est la conductivité du semi-conducteur de type p ; - \( q \) est la charge du trou (identique à la charge de l'électron) ; - \( p \) est la concentration du trou ; et - \( \mu_p \) est la mobilité du trou. On remarque que la concentration et la mobilité des trous affectent toutes deux la conductivité, une valeur plus élevée de l'un ou l'autre de ces facteurs ou des deux se traduisant par une conductivité plus élevée. Sous l'effet d'un champ électrique, les trous "se déplacent", créant ainsi un "courant de trou". L'interaction entre ce champ électrique et l'énergie thermique fournie au système fait que les trous se déplacent avec une certaine vitesse moyenne, un concept connu sous le nom de vitesse de dérive.Facteurs influençant la conductivité d'un semi-conducteur de type p
Plusieurs facteurs influencent notamment la conductivité d'un semi-conducteur de type p :- La concentration de dopage : Une augmentation du nombre d'atomes dopants trivalents génère plus de trous, ce qui augmente la conductivité.
- La température : Une augmentation de la température augmente la concentration intrinsèque en porteurs, ce qui, dans le cas d'un semi-conducteur de type p, revient à générer plus de paires trous-électrons, améliorant ainsi la conductivité.
- Mobilité des trous : La vitesse à laquelle les trous "se déplacent" sous l'influence d'un champ électrique influence également la conductivité. Une plus grande mobilité des trous signifie une plus grande conductivité. Les facteurs qui influencent cette mobilité sont notamment les vibrations du réseau et les collisions avec les imperfections de la structure cristalline ou avec d'autres particules.
Coefficient de résistance à la température (TCR) : Le TCR est utilisé pour déterminer comment la résistance d'un matériau change avec la température. Dans le cas des semi-conducteurs, il est généralement positif, ce qui signifie que la résistance (et donc la conductivité) augmente avec la température.
Diagramme des semi-conducteurs de type p : Une vue d'ensemble
Pour découvrir le monde des semi-conducteurs de type p, il faut examiner de près le diagramme des semi-conducteurs de type p. Ce diagramme présente une représentation visuelle des semi-conducteurs de type p et de leurs caractéristiques. Ce diagramme présente une représentation visuelle de la structure interne d'un semi-conducteur de type p et fournit des informations cruciales sur la distribution et le mouvement des trous et des électrons à l'intérieur de son réseau.Disséquer le diagramme du semi-conducteur de type p
Un diagramme typique de semi-conducteur de type p comprend généralement plusieurs éléments importants qui facilitent la compréhension du fonctionnement de ces semi-conducteurs. Chaque élément est identifié par un marqueur ou une étiquette spécifique qui aide à comprendre son rôle au sein du semi-conducteur. Décortiquons les prémisses fondamentales de ce diagramme. L'affichage central d'un diagramme de semi-conducteur de type p est un réseau cristallin, généralement composé d'atomes de silicium. Le silicium est un choix populaire en raison de ses propriétés favorables en tant que semi-conducteur. Chaque atome de silicium est représenté comme étant connecté à ses voisins, créant ainsi une structure de treillis ordonnée et rigide. Ensuite, les atomes trivalents, généralement représentés par un symbole différent, sont intercalés dans ce treillis. Ces atomes trivalents, comme le bore, sont délibérément introduits dans le réseau de silicium par un processus appelé "dopage". Comme ils ont un électron de valence de moins que le silicium, ils produisent des trous dans le réseau, apparaissant comme des entités chargées positivement dans le semi-conducteur. Codifiant le principe des porteurs majoritaires dans le semi-conducteur de type p, tu noteras un plus grand nombre de trous, étiquetés et souvent représentés par des signes positifs ou même des cercles. Les trous dans le semi-conducteur de type p sont les porteurs majoritaires, ce qui signifie qu'ils sont plus abondants et participent largement au processus de conduction. Les électrons, qui sont les porteurs minoritaires, sont également présents dans le diagramme. Ils sont généralement représentés par des signes moins ou des cercles plus petits et sont nettement moins nombreux que les trous. La plupart des diagrammes incluent souvent un champ électrique externe appliqué, représenté par une flèche. Une représentation symbolique de la conductivité est souvent incorporée dans le diagramme, illustrant le chemin principal du flux de courant dans la direction opposée au mouvement des électrons, ce qui donne de la crédibilité au concept de mouvement des "trous". Un diagramme de semi-conducteur de type p comprend donc :- Un réseau cristallin composé d'atomes de silicium.
- Des atomes de dopants trivalents intercalés dans le réseau.
- Une majorité de trous chargés positivement.
- Une minorité d'électrons chargés négativement.
- Un champ électrique externe.
- Une représentation du flux de courant dans la direction du mouvement des trous.
| Réseau de silicium | Atomes dopants trivalents |
| Trous majoritaires | Électrons minoritaires |
| Champ électrique appliqué | Représenté Flux de courant |
Lien entre le diagramme du semi-conducteur de type p et l'ingénierie pratique
La compréhension et l'interprétation d'un diagramme de semi-conducteur de type p sont précieuses, en particulier lorsqu'elles sont liées à l'ingénierie pratique et à l'étude des dispositifs à semi-conducteur. Considère un dispositif couramment utilisé - une diode à jonction p-n. À la jonction, le côté semi-conducteur de type p (avec une majorité de trous) est aligné avec le côté semi-conducteur de type n (avec une majorité d'électrons). Lorsqu'une tension est appliquée à cette jonction, le courant circule dans le sens du mouvement des trous dans la face de type p et dans le sens du mouvement des électrons dans la face de type n. Il est essentiel de comprendre le diagramme du semi-conducteur de type p pour comprendre le comportement de la diode et prédire comment elle interagira dans différentes conditions de tension. Par exemple, en polarisation directe (lorsque le type p est connecté à la borne négative), les trous du semi-conducteur de type p sont attirés vers la jonction. Ils s'y combinent avec les électrons du côté du type n, ce qui permet au courant de traverser la jonction. Il est clair que les connaissances acquises grâce à un diagramme de semi-conducteur s'appliquent directement aux situations de la vie réelle, ce qui fait des diagrammes un outil puissant pour l'étude et l'application de l'électronique. Le même principe s'applique à une multitude d'autres dispositifs à base de semi-conducteurs de type p, tels que les transistors et les cellules solaires. Par exemple, dans les cellules solaires, une jonction p-n forme le cœur de la cellule, et l'exposition à la lumière génère des paires électron-trou. La compréhension des représentations schématiques permet aux ingénieurs de prédire le comportement des dispositifs dans des conditions variables, ce qui permet d'optimiser la conception et de résoudre les problèmes. Ainsi, la compréhension des diagrammes des semi-conducteurs de type p va de pair avec les applications pratiques formées dans les circuits et les dispositifs à semi-conducteurs. Armés de cette compréhension, les ingénieurs et les étudiants peuvent manipuler les propriétés de ces semi-conducteurs, en les adaptant à leurs besoins pour construire et contrôler une vaste gamme d'appareils électroniques.Position du niveau de Fermi dans les semi-conducteurs de type p
La position du niveau de Fermi dans un semi-conducteur de type p connaît un changement notable. Ce déplacement est régi par la présence des porteurs majoritaires, qui sont ici des trous, et par la concentration des atomes dopants. Le niveau de Fermi, auparavant équilibré au milieu de l'intervalle d'énergie interdit pour un semi-conducteur intrinsèque, se rapproche de la bande de valence pour un semi-conducteur de type p.Importance du niveau de Fermi dans un semi-conducteur de type p
Pour comprendre l'importance du niveau de Fermi dans un semi-conducteur de type p, il faut examiner de plus près la physique des semi-conducteurs. Le niveau de Fermi, nommé d'après le physicien italien Enrico Fermi, est un concept qui revêt une importance remarquable dans les dispositifs électroniques et photoniques. Il sert de point de référence qui nous permet de prédire l'occupation des états d'énergie disponibles et la distribution des porteurs qui en résulte.Niveau de Fermi : Le niveau de Fermi représente le niveau d'énergie auquel la probabilité de trouver un électron est de 50 %. Au-dessus du niveau de Fermi, la plupart des états d'énergie sont inoccupés, et en dessous, la plupart sont occupés. Pour un semi-conducteur de type p, le niveau de Fermi se trouve plus près de la bande de valence.
Impact du positionnement du niveau de Fermi sur les performances des semi-conducteurs de type p
Le positionnement précis du niveau de Fermi a un impact profond sur les performances d'un semi-conducteur de type p. Un niveau de Fermi plus proche de la bande de valence dans les semi-conducteurs de type p entraîne un plus grand nombre de trous, qui, en tant que porteurs majoritaires, affectent le comportement global des semi-conducteurs. La position du niveau de Fermi contribue également à identifier le type de dopage qu'a subi un semi-conducteur. Si le niveau de Fermi est plus proche de la bande de valence, il s'agit d'un semi-conducteur de type p, et s'il est proche de la bande de conduction, il s'agit d'un semi-conducteur de type n. Dans le cas d'une jonction p-n formée par la combinaison d'un semi-conducteur de type p et d'un semi-conducteur de type n, le niveau de Fermi remplit une fonction critique. Ici, en raison de la divergence de leurs niveaux de Fermi, une barrière énergétique fait surface à la jonction, ce qui entrave le passage du courant. L'application d'une tension externe peut modifier cette barrière et permettre au courant de passer. Cela dit, le positionnement du niveau de Fermi n'est pas statique. Lorsque les conditions varient (comme la température), le niveau de Fermi se déplace, ce qui modifie le nombre de porteurs majoritaires et ajuste les propriétés de fonctionnement du dispositif. Par exemple, alors que le nombre de paires de trous et d'électrons augmente avec la température, le niveau de Fermi se déplace également vers le centre de la bande interdite, devenant ainsi intrinsèque. Le positionnement unique du niveau de Fermi dans le semi-conducteur de type p n'influence donc pas seulement la présence de la majorité des porteurs, mais dicte également de manière significative les performances et la réponse du semi-conducteur dans différentes conditions, jouant ainsi un rôle vital dans la conception et le fonctionnement des appareils électroniques et photoniques.Inspection de la concentration de trous dans un semi-conducteur de type p
D'où viennent les "trous" dans le réseau cristallin d'un semi-conducteur de type p ? Le dopage avec des atomes trivalents est le processus qui introduit des trous dans un réseau par ailleurs parfait et bien ordonné. La concentration de ces trous dans un semi-conducteur de type p est un paramètre critique. Elle joue un rôle crucial dans la détermination des propriétés électroniques du matériau semi-conducteur, c'est pourquoi les ingénieurs s'attachent à contrôler cette concentration au cours du processus de dopage.Comprendre la concentration de trous dans un semi-conducteur de type p
Le processus responsable de la formation de "trous" dans un semi-conducteur de type p est connu sous le nom de dopage. Le dopage se caractérise par l'ajout d'une petite quantité d'impuretés, en l'occurrence des atomes trivalents comme le bore, le gallium ou l'indium, dans un semi-conducteur. Ces atomes d'impureté ont un électron de valence de moins que les atomes du semi-conducteur (silicium ou germanium), ce qui entraîne la création de vides ou de "trous" dans le réseau.Dopage : C'est un processus intentionnel d'ajout d'atomes d'impureté dans un semi-conducteur pour modifier ses propriétés électriques. Cela permet d'améliorer la concentration des porteurs de charge dans le semi-conducteur.
Impact de la concentration de trous sur le comportement des semi-conducteurs de type p
Le nombre de trous dans un semi-conducteur de type p influence de façon dominante son comportement. Cet impact se manifeste notamment en termes de flux de courant et de conductivité, de performance du dispositif et d'interaction avec les conditions externes. En termes de flux de courant, les trous agissent en tant que porteurs majoritaires au sein d'un semi-conducteur de type p. Le mouvement de la charge au sein du semi-conducteur est un phénomène naturel. Le mouvement des charges à l'intérieur du semi-conducteur est principalement assuré par les trous qui se déplacent dans la direction opposée à celle d'un champ électrique appliqué. Par conséquent, une concentration de trous plus élevée implique un plus grand nombre de porteurs de charge et une conductivité électrique plus élevée.Prenons l'exemple d'une puce semi-conductrice de type p utilisée dans une cellule photoélectrique. Le processus de dopage a introduit une certaine concentration de trous dans le semi-conducteur. Lorsque les photons entrants frappent la puce, des paires électron-trou sont créées. Les trous libérés lors de ce processus se déplacent ensuite vers la borne négative, créant ainsi un flux de courant. Dans ce cas, la quantité de courant générée est directement proportionnelle à la concentration de trous.
Questions et réponses divertissantes sur les semi-conducteurs de type p
Grâce à une physique sous-jacente ingénieuse, les semi-conducteurs de type p sont aujourd'hui largement reconnus et utilisés dans la recherche et le développement d'appareils électroniques. Cependant, il s'agit souvent de concepts abstraits et complexes à appréhender. C'est pourquoi une bonne compréhension de certaines questions clés sur les semi-conducteurs de type p peut améliorer le processus de compréhension pour toi.Réponses à tes principales questions sur les semi-conducteurs de type p
Q : Qu'est-ce qu'un semi-conducteur de type p ?R : Un semi-conducteur de type p, également appelé semi-conducteur dopé à l'accepteur, est un type de semi-conducteur dans lequel les porteurs de charge responsables du passage du courant sont des trous. Cette concentration positive de porteurs de charge est due à l'introduction d'éléments, communément appelés dopants, tels que le bore, le gallium ou l'indium, qui possèdent un électron de moins dans leur enveloppe extérieure que les atomes de silicium ou de germanium d'un semi-conducteur intrinsèque ou pur.
R : Le dopage est un processus dans lequel des impuretés, telles que des atomes trivalents, sont intentionnellement introduites dans un semi-conducteur pur pour modifier ses propriétés électriques. Dans les semi-conducteurs de type p, les dopants ont un électron de moins que le silicium et, par conséquent, lorsqu'ils se lient aux atomes de silicium, ils produisent des "trous" ou des vides. Par conséquent, la concentration de trous augmente, ce qui renforce la capacité du semi-conducteur à conduire l'électricité.
R : Dans le contexte des semi-conducteurs, un trou est un état électronique vacant dans un réseau cristallin qui peut se déplacer et se comporter comme une particule chargée positivement. Les trous dans un semi-conducteur de type p jouent un rôle prépondérant car ils constituent les porteurs de charge majoritaires qui contribuent de manière significative à la conductivité du matériau.
R : La température joue un rôle essentiel dans le comportement des semi-conducteurs de type p. Lorsque la température augmente, la concentration intrinsèque de porteurs de charge (c'est-à-dire les paires électron-trou) augmente également. Avec plus de paires, les trous peuvent se recombiner avec les électrons, ce qui réduit le taux de flux de trous, et par conséquent, la conductivité chute. Cependant, dans les applications pratiques, cet effet peut être contrecarré pour assurer un fonctionnement stable de l'appareil.
Décomposer des concepts complexes : FAQ sur les semi-conducteurs de type p
En répondant aux questions les plus courantes, nous pouvons décomposer davantage les idées complexes sur les semi-conducteurs de type p. Voici quelques questions relatives à la conception :Q : Comment l'emplacement du niveau de Fermi affecte-t-il le comportement des semi-conducteurs de type p ?R : Le niveau de Fermi représente le niveau d'énergie auquel la probabilité de trouver un électron est de 50 %. Son emplacement est essentiel pour dicter la présence de porteurs majoritaires et façonne de manière significative la réponse du semi-conducteur à des conditions variables. Dans un semi-conducteur de type p, le positionnement réussi du niveau de Fermi plus près de la bande de valence augmente le nombre de trous, qui sont les porteurs majoritaires et influencent la conductivité électrique et les performances de l'appareil.
R : La concentration de trous, qui est une mesure du nombre de trous dans un semi-conducteur de type p, est principalement influencée par le processus de dopage. Une concentration de dopant plus élevée entraîne une concentration de trous plus élevée, ce qui augmente la conductivité du matériau. Outre le dopage, des facteurs externes tels que la température et la lumière influencent également de manière significative la concentration de trous.
R : Prenons l'exemple d'une diode à jonction p-n. Elle est formée par la combinaison d'un semi-conducteur de type p et d'un semi-conducteur de type n. Le transfert des porteurs majoritaires de chaque côté forme une "région d'épuisement" au point de rencontre, empêchant le passage du courant en l'absence de tout potentiel externe. L'application d'une tension externe fait tomber cette barrière énergétique, ce qui permet au courant de passer à travers la diode.
Semi-conducteur de type p - Principaux enseignements
- Les semi-conducteurs de type p conduisent mieux l'électricité lorsqu'ils ont un plus grand nombre de trous qui se déplacent rapidement.
- La conductivité d'un semi-conducteur de type p est calculée à l'aide de la formule σp = q ⋅ p ⋅ μp, où σp est la conductivité, q la charge du trou, p la concentration du trou et μp la mobilité du trou.
- Les facteurs qui influencent notamment la conductivité d'un semi-conducteur de type p sont la concentration de dopage, la température et la mobilité des trous.
- Le coefficient de résistance à la température (TCR) est utilisé pour déterminer comment la résistance d'un matériau change avec la température, dans les semi-conducteurs, il est généralement positif, ce qui signifie que la résistance (et donc la conductivité) augmentera avec la température.
- Le diagramme d'un semi-conducteur de type p comprend un réseau cristallin composé d'atomes de silicium, d'atomes dopants trivalents dans le réseau, d'une majorité de trous chargés positivement, d'une minorité d'électrons chargés négativement, d'un champ électrique externe et d'une représentation du flux de courant dans le sens du mouvement des trous.
- Le niveau de Fermi dans un semi-conducteur de type p est le niveau d'énergie auquel la probabilité de trouver un électron est de 50 % et dans les semi-conducteurs de type p, il existe plus près de la bande de valence.
- Le dopage est le processus d'introduction de trous dans le réseau cristallin d'un semi-conducteur de type p, ce qui entraîne la formation de "trous" et permet aux ingénieurs de contrôler la concentration de trous.
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Questions fréquemment posées en Semi-conducteur de type p
Qu'est-ce qu'un semi-conducteur de type p?
Un semi-conducteur de type p est un matériau dopé avec des éléments acceptés créant des trous positifs comme principaux porteurs de charge.
Comment fonctionne un semi-conducteur de type p?
Un semi-conducteur de type p fonctionne à travers des trous positifs produits par le dopage, qui facilitent le passage du courant électrique.
Quelle est la différence entre un semi-conducteur de type p et de type n?
La principale différence est que les semi-conducteurs de type p ont des trous positifs comme porteurs de charge, tandis que les types n ont des électrons.
Pourquoi utilise-t-on des semi-conducteurs de type p?
Les semi-conducteurs de type p sont utilisés pour divers équipements électroniques pour améliorer la conductivité et optimiser la performance des dispositifs.
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