DE2822166C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement ent
sprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Halbleiterbauelement dieser Art ist aus der JP-OS 52-61 968
bekannt.
Transistoren mit einer aufgeteilten Emitterkonfiguration werden
gewöhnlich für hohe Leistungen verwendet. Bekanntlich wird in
Bipolartransistoren, bei größeren Strömen, der größte Teil des
Emitterstroms in die Basis über jene Teile des Emitter-Basis-
Übergangs injiziert, die dem Basiskontakt am nächsten liegen.
Teile des Emitter-Basis-Übergangs, die weiter von dem Basiskon
takt entfernt sind, sind infolge von Spannungsverlusten in der
Basis nicht oder nahezu nicht effektiv. Dadurch, daß der Emitter
aufgeteilt wird, kann dem Basiskontakt eine derartige Konfigura
tion gegeben werden, daß ein Emitter-Basis-Übergang mit einer
auch bei größeren Strömen verhältnismäßig großen emittierenden
Oberfläche erhal
ten wird. Der Basiskontakt kann dabei z. B. in Form
einer Anzahl von Basiskontaktfingern ausgebildet
werden, die zwischen den Emitterfingern
liegen.
Leistungstransistoren dieser
Art sind oft mit Widerständen in der Emitter- oder
Basisstrecke versehen, um einen sogenannten Durchbruch der
zweiten Art zu vermeiden. Dieser Effekt, der meistens
als "Second breakdown" bezeichnet wird, kann infolge
einer örtlichen Temperaturerhöhung des Emitter-Basis-
Übergangs auftreten. An der Stelle, an der eine der
artige, sogar geringe Temperaturerhöhung auftritt,
wird der Emitterstrom über dem Emitter-Basis-Übergang
zunehmen. Dies ergibt eine örtliche Zunahme der Ver
lustleistung und damit eine weitere Temperaturzunahme.
Auf diese Weise kann ein Lawineneffekt entstehen,
der einen Durchbruch ergibt, der die Zerstörung des
Transistors zur Folge haben kann. Indem nun z. B. in
der Emitterstrecke des Transistors Widerstände (die
mit dem Emitterfingern verbunden sind) angeordnet wer
den, wird erreicht, daß bei einer etwaigen örtlichen
Temperaturerhöhung und der damit in erster Linie ein
hergehenden Stromzunahme die Vorwärtsspannung über dem
Emitter-Basis-Übergang des betreffenden Emitterfingers
und damit der Emitterstrom über diesem Emitter-Basis-
Übergang herabgesetzt wird.
Um eine möglichst gute Sicherung gegen "Se
con breakdown" für den ganzen Wirkungsbereich
des Transistors
zu erhalten, sind verhältnismäßig große
Widerstände erforderlich. Oft sind aber die Betriebs
bedingungen derart, daß viel niedrigere
Widerstandswerte genügen können, z. B. wenn der Strom
groß und damit der Spannungsabfall über dem Wider
stand niedrig ist. Im allgemeinen läßt sich daher sa
gen, daß, weil die Widerstandswerte der genannten
Reihenwiderstände im Hinblick auf bestimmte
Betriebsbedingungen des Transistors
gewählt werden, dieses Ver
fahren keine optimale Funktion des Transistors unter
anderen Betriebsbedingungen gewährleisten kann.
Es hat sich herausgestellt, daß eine wich
tige Ursache von "Second breakdown" in der ungleich
mäßigen Temperaturverteilung liegt, die beim Betrieb
in dem Halbleiterkörper auftritt. Messungen
haben ergeben, daß die Temperatur am Rande des Tran
sistors niedriger als in der Mitte ist. Dadurch wird
im allgemeinen "Second breakdown" eher in der Mitte
als am Rande des Transistors auftreten.
Aus der bereits obengenannten JP-OS 52-61 968 ist ein Transi
stor bekannt bei dem zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Tempe
raturverteilung die Emitterfinger in der Mitte des Transistors
kürzer sind als die Emitterfinger an den Seiten des Transistors.
Die Basiszone in diesem bekannten Transistor weist die Form eines
geschlossenes Rechtecks auf, die mit den Emitterfingern und den
dazwischenliegenden Basiskontaktfingern versehen ist. Ein solcher
Aufbau erfordert jedoch Platz, d. h. daß der Transistor um einen
bestimmten Strom liefern zu können, zusätzlich vergrößert werden
muß. Im Allgemeinen, insbesondere wenn der Transistor einen Teil
einer integrierten Schaltung bildet, ist es aber wünschenswert,
die Abmessungen des Transistors möglichst klein zu halten. Außer
dem können, wenn der Transistor Teil einer integrierten Schaltung
ist, die Kollektorkontakte nur am Rand der Basiszone angebracht
werden, was oft einen zu hohen Kollektorreihenwiderstand zur Fol
ge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistor der
gattungsgemäßen Art, insbesondere für eine integrierte Schaltung
so auszubilden, daß er geringe Abmessungen und einen niedri
gen Kollektorreihenwiderstand aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An
spruchs 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter
ansprüchen.
Aufgrund der Tatsache, daß bei dem erfindungsgemäß ausgestalteten Halbleiter
bauelement der Kollektorstrom nur einen verhältnismäßig kleinen
Weg zurückzulegen braucht, kann der Kollektorreihenwiderstand
verhältnismäßig niedrig gehalten werden.
Dadurch, daß die Teilzonen der Basis verschiedene Längen
aufweisen, wird erreicht, daß der durch den Transistor benötigte
Platz nicht vergrößert wird.
Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil eines
Halbleiterbauelements nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das Bauelement
längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch das Bauelement
längs der Linie III-III in Fig. 1, und
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf einen
Teil eines zweiten Ausführungsbeispiels der Er
findung.
Es sei bemerkt, daß die Figuren nur schematisch dargestellt und
nicht maßstäblich gezeichnet
sind. Außerdem sind in Fig. 1 der Deutlichkeit halber
Passivierungsschichten auf der Oberfläche des Halb
leiterkörpers nicht dargestellt.
Die Figuren zeigen einen Leistungstransi
stor, der einen Teil einer monolithischen integrierten
Schaltung bilden kann. Diese Schaltung, die weiter in
der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann z. B. aus
einer Verstärkervorrichtung bestehen, wobei der betref
fende Transistor zu der Ausgangsstufe des Verstärkers
gehört.
Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper
1 einer für übliche integrierte Schaltungen gebräuch
lichen Form mit einem p-leitenden Siliziumsubstrat 2
und einer darauf niedergeschlagenen epitaktischen Sili
ziumschicht 3. Die Oberfläche 4 des Körpers 1 ist mit
einer isolierenden Passivierungsschicht 9 überzogen,
die meist aus Siliziumoxid besteht und mit Löchern
an Stellen versehen ist, an denen der Körper 1 oder
Teile desselben kontaktiert werden müssen.
Der Transistor enthält eine n-leitende an
die Oberfläche 4 des Körpers 1 grenzende Emitterzone,
eine ebenfalls an die Oberfläche grenzende p-leitende
Basiszone und eine im vorliegenden Falle gleichfalls an
die Oberfläche 4 grenzende n-leitende Kollektorzone 7.
Die Kollektorzone 7 enthält einen Teil der epitaktischen
Schicht 3, eine zwischen der epitaktischen Schicht 3
und dem Substrat 2 gebildete niederohmige vergrabene
n-leitende Kollektorzone 8 und von der Oberfläche 2
bis in die vergrabene Schicht 8 reichende n-leitende
Kollektorkontaktzonen 17.
Zum Erhalten einer möglichst großen emit
tierenden Oberfläche ist die Emitterzone in eine Reihe
fingerförmiger Gebiete aufgeteilt, die nachstehend
als Emitterfinger bezeichnet werden. Diese Emitter
finger, die zur Unterscheidung mit den Buchstaben a, b,
c, d usw., angedeutet sind, erstrecken sich parallel
zueinander.
Wie aus der Draufsicht nach Fig. 1 hervor
geht, sind die Emitterfinger nicht, wie üblich, alle
etwa gleich lang, sondern weisen
verschiedene Längen auf. Wie nachstehend noch näher
erläutert wird, wird mit dieser be
sonderen Emitterkonfiguration und mit der damit ein
hergehenden nichtgleichmäßigen Stromverteilung eine
im Vergleich zu dem Fall, in dem die Emitterfinger
gleich lang wären, gleichmäßigere Temperaturverteilung
im Transistor beim Betrieb erhalten.
In einem solchen Transistor wird
der Wirkungsbereich, innerhalb dessen der Transistor
ohne Durchbruch betrieben werden kann (SOAR = safe
operating area) auf sehr einfache und, wie Versuche
ergeben haben, sehr zweckmäßige Weise vergrößert.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, nimmt die
Länge der Emitterfinger 5 a-5 i vom Rand des Transi
stors auf der linken und der rechten Seite der Figur
zur Mitte des Transistors in der Mitte der Figur
allmählich ab.
In den meisten Fällen, in denen die Tempe
raturverteilung im Halbleiterkörper bestimmt ist
durch die Verlustleistung im Transistor
ist diese Ausgestaltung günstig.
Um einen niedrigen Kollektor
reihenwiderstand zu erhalten, ist die Basiszone oder wenigstens
der wirksame oder eigenleitende Teil der Basiszone in eine
Anzahl von Teilzonen aufgeteilt. Um diese Teilzonen von
einander unterscheiden zu können, sind die
einzelnen Teilzonen von links nach
rechts in Fig. 1 und 2 mit den Buchstaben a, b, c,
d usw. versehen. In jeder Teilzone 6 a, 6 b, 6 c usw.
liegt nur ein einziger Emitterfinger 5 a, 5 b, 5 c usw.
Die Emitterfinger können aber auch auf
andere Weise über die verschiedenen Basisteilzonen
6 a, b, c usw. verteilt sein, z. B. zwei Emitterfinger
pro Basisteilzone.
Die Basisteilzonen sind mit
Basiskontaktfingern 10 aus einem ge
eigneten Metall, z. B. Aluminium, oder aus einer Kom
bination von Metallen, versehen, die auf den Basis
teilzonen 6 a-6 i durch in der Oxidschicht 9 gebil
dete Kontaktfenster angebracht sind. Die Basiskontakt
finger 10 erstrecken sich
parallel zu den Emitterfingern über
die Oberfläche 4 des Körpers 1 und sind miteinander durch
einen gemeinsamen Basisanschluß 11 aus demselben
Metall oder denselben Metallen wie die Basiskontakt
finger 10 verbunden. Da zur Vermeidung von "Second
breakdown" keine Basisreihenwiderstände erforderlich
sind, können die Basiskontaktfinger 10 leitend mit
dem gemeinsamen Kontakt 11 verbunden werden. Diese
niederohmige Verbindung wird durch sogenannte Tunnel gebildet,
die aus in der Kollektorzone 7 angebrachten und
an die Basisteilzonen 6 a, b, c usw.
grenzenden p-leitenden Zonen 12 und n-leitenden Oberflächen 13, die in den Zonen 12
liegend und dadurch gegen die n-leitende Kol
lektorzone isoliert sind, bestehen.
Die Zonen 12 und 13 können während der Her
stellung des Bauelements zugleich mit der Basiszone bzw. der
Emitterzone angebracht werden. In dem Ausführungsbei
spiel wird jede Teilzone 6 a-6 i der Basiszone über einen
eigenen Tunnel 12, 13 mit dem gemeinsamen
Basisanschluß 11 verbunden. Diese Konfiguration weist
u. a. den Vorteil auf, daß Streukapazitäten insbeson
dere zwischen der Basiszone und der Kollektorzone des Transi
stors verhältnismäßig niedrig gehalten werden können.
In jenen
Fällen, in denen weniger strenge Anforderungen in be
zug auf Streukapazitäten gestellt werden, können die Zonen
12, 13 auch als zusammenhängendes Gebiet
ausgebildet werden. Die pn-Übergänge zwischen
den Zonen 12 und 13 sind wenigstens auf der Basis
kontaktseite, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aber auch auf der anderen Seite, und zwar durch den
gemeinsamen Basisanschluß 11 und durch die Basiskontakt
finger 10, kurzgeschlossen, die an der Stelle dieses
Kurzschlusses mit lateral hervorragenden Teilen 14
versehen sind, wie in Fig. 1 dargestellt ist.
Die Kollektorzone 7, 8 ist mit einem Kollektor
kontakt 15 über eine Anzahl von Kollektorkontaktfingern
16 verbunden, die mit den Teilen 17 der Kollektorzone,
die zwischen den Basisteilzonen 6 a, b, c usw. liegen,
kontaktiert sind und sich
zwischen den Emitterfingern 5 a-5 i und
den Basiskontaktfingern 10 erstrecken. An den Stellen
der Kontakte zwischen den Kollektorkontaktfingern 16
und der Kollektorzone 7, 8 sind, wie üblich, hochdotierte
n-leitende Kontaktzonen 17 angebracht.
Die Basis- und Kollektorkontakte (10, 11;
15, 16) sind in der Draufsicht nach Fig. 1 mit ge
strichelten Linien angegeben. Die Stellen, an denen
der gemeinsame Basiskontakt 11 mit dem Tunnel
12, 13 kontaktiert ist, sind in Fig. 1 mit x bezeich
net.
In der dargestellten Konfiguration ist jeder
Emitterfinger 5 a-5 i zwi
schen einem Basiskontaktfinger 10 und einem Kollektor
kontaktfinger 16 gelegen. Die Emitterzone ist mit einem
Emitterkontakt 18 versehen, der in Fig. 1 nur teilweise
und durch strichpunktierte Linien angegeben ist. Der
Kontakt 18 enthält eine Anzahl von Emitterkontakt
fingern 19, die zwischen den Basiskon
taktfingern 10 und den Kollektorkontaktfingern 17
liegen. Die Finger 19 sind asymmetrisch zu den Emit
terfingern 5 a-5 i angeordnet, und zwar an dem Rand der
Emitterfinger, der am weitesten von den zugehörigen
Basiskontaktfingern 10 entfernt ist. Dadurch, daß
wenigstens bei größeren Strömen praktisch nur der
jenige Teil jedes Emitterfingers 5 a-5 i, der dem benach
barten Basiskontaktfinger am nächsten liegt, Elektronen
in die Basis injiziert, liefert der Innenwiderstand in
den Emitterfingern infolge der asymmetrischen Lage
der Emitterkontaktfinger 19 einen Beitrag zu der
Gleichmäßigkeit der Stromverteilung in der Längs
richtung der Emitterfinger.
Wie weiter aus Fig. 1 ersichtlich ist,
weisen außer den Emitterfingern 5 a-5 i auch die Basisteilzonen
6 a, b, c usw. verschiedene Längen auf. Die
Mitten der Emitterfinger 5 a, b, c usw. fallen
mit der Linie II-II in Fig. 1 zusammen. Eine der
artige symmetrische Konfiguration ist in thermischer
Hinsicht vorteilhaft, weil gewöhnlich die Temperaturver
teilung in dem Halbleiterkörper bei einer symmetrischen
Konfiguration eine größere Gleichmäßigkeit als bei
einer asymmetrischen Konfiguration aufweist.
Der Teil des Halbleiterkörpers 1, der neben
der Mitte des Transistors, in der die Emitterfinger
5 a-5 i und die Basisteilzonen 6 a-6 i am kürzesten sind, gelegen
ist, kann z. B. für Leiterbahnen verwendet
werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die
ser Teil des Halbleiterkörpers 1 zum Anbringen einer
Kontaktfläche 20 zum Anschließen eines äußeren
Anschlußleiters 21 benutzt. Die Kontaktfläche 20 liegt
über einen Teil 22 der epitaktischen Schicht 3, der
durch eine p-leitende Isolierzone 23 von der Insel,
in der der Transistor liegt, getrennt ist. In dem
Teil 22 der epitaktischen Schicht 3 können gegebenen
falls weitere Schaltungselemente oder Teile derselben
angebracht werden. Die Kontaktfläche 20 ist, wie in
Fig. 3 dargestellt ist, von der epitaktischen Schicht
3 durch die Oxidschicht 9 getrennt.
Der beschriebene Transistor kann mit Hilfe allgemein be
kannter Techniken hergestellt werden, die hier nicht
näher erläutert werden.
Die gegenseitigen Verhältnisse zwischen den Längen
der Emitterfinger hängen insbe
sondere von dem Wärmewiderstand zwischen den verschie
denen Emitterfingern und daher von den Abständen zwi
schen den Emitterfingern ab. In einer praktischen
Ausführungsform war der größte gegenseitige Abstand
der Emitterfinger etwa 140 µm und der kleinste Abstand
etwa 100 µm. Es stellte sich heraus, daß günstige Er
gebnisse erzielt werden konnten, wenn die Emitter
finger 5 a-5 e Längen von etwa 450 µm, 400 µm, 350 µm,
300 µm bzw. 250 µm aufwiesen.
Wenn die Abstände zwischen den Emitterfingern größer wer
den, können die Unterschiede zwischen den Längen der
Emitterfinger kleiner werden. Wenn dagegen die Ab
stände zwischen den Emitterfingern kleiner werden,
z. B. wenn die Kollektorzone nur am Rande
des Transistors und nicht durch die Kollektorkontakt
finger 16 kontaktiert ist, müssen die Unterschiede
zwischen den Längen der Emitterfinger größer gemacht
werden.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein zweites
Ausführungsbeispiel eines Transistors nach der Erfindung,
der für kleinere Leistungen als der Transistor nach
dem ersten Ausführungsbeispiel dient und daher nur
sechs Emitterfinger 5 a-5 f enthält. Es sei bemerkt,
daß in der Draufsicht nach Fig. 4 lediglich der Deutlichkeit halber die Emit
terfinger dargestellt sind.
Die gegenseitigen Abstände der Emit
terfinger 5 a-5 f betragen in diesem Falle abwechselnd etwa
104 und 138 µm. Es stellt sich heraus, daß dabei
günstige Ergebnisse bei Längen der Emitterfinger 5 a-
5 f von 450, 380, 300, 300, 380 bzw. 450 µm erzielt
werden konnten.
Abwandlungen von den hier gegebenen Ausführungsbeispielen
sind möglich. So können
die Emitterfinger selbst auch noch in eine Anzahl durch
zwischenliegende Teile der Basisteilzonen voneinander ge
trennte Teile aufgeteilt sein. Eine derartige Auftei
lung des Emitters kann insbesondere vorteilhaft sein,
wenn die Länge der Emitterfinger groß, z. B. größer
als 500 µm ist. Weiter können die Leitungstypen der
verschiedenen Gebiete umgekehrt werden. Statt der ge
nannten Materialien, z. B. für die Metallisierung, kön
nen auch andere Materialien mit Vorteil angewendet
werden. Statt der Basiskontaktfinger 10, die über
Tunnel 12, 13 mit dem gemeinsamen Basisanschluß
11 verbunden sind, kann auch ein Basiskontakt in
Form eines einzigen Leiterstreifens, der sich mäander
förmig zwischen den Emitterkontaktfingern 19 und
den Kollektorkontaktfingern 16 erstreckt, verwendet
werden.
Claims (8)
1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1) mit
einem Transistor mit einer an eine Oberfläche (4) grenzen
den Emitterzone von einem ersten Leitungstyp, einer an
die Oberfläche grenzenden Basiszone von einem zweiten
Leitungstyp und einer an die Basiszone grenzenden Kollektor
zone (7) vom ersten Leitungstyp, bei dem die Emitterzone im
wesentlichen aus einer Reihe fingerförmiger Emitterteilzonen
(5 a bis 5 i) - im folgenden als Emitterfinger bezeichnet -
besteht, die sich mit
ihrer Längsausdehnung parallel zueinander und
senkrecht zu der Richtung der Reihe der Emitterfinger
erstrecken, bei dem die Emitterfinger
verschiedene Längen in einer Anordnung aufweisen, bei der
in der Richtung der Reihe der Emitterfinger eine ungleiche,
die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in dem Halb
leiterkörper erhöhende Verteilung der Verlustleistung er
halten wird, und bei dem die Basiszone von einer Anzahl von Basis
kontaktfingern (10) kontaktiert ist, die auf der Basiszone
angebracht sind und sich parallel zu den Emitter
fingern und zwischen diesen auf der Oberfläche des Halblei
terkörpers erstrecken, dadurch gekennzeichnet,
daß die Basiszone aus einer Anzahl von Teilzonen (6 a bis 6 i) besteht,
die ebenfalls verschiedene Längen aufweisen und die vonein
ander durch zwischenliegende an die Oberfläche grenzende
Teile (17) der Kollektorzone getrennt sind und je mindestens
einen Emitterfinger enthalten, wobei die Basisteilzonen
mit einer Anzahl von Kontaktfingern (10) versehen
sind, die auf den Teilzonen angebracht sind und
sich parallel zu den Emitterfingern über die Ober
fläche des Halbleiterkörpers erstrecken, während die Kollektorzone
mit einer Anzahl von Kollektorkon
taktfingern (16) versehen ist, die auf den zwischen den Basisteilzonen
liegenden Teilen der Kollektorzone angebracht sind und sich
parallel zu den Emitterfingern und den Basis
kontaktfingern über die Oberfläche des Halbleiterkörpers erstrecken.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Emitterfinger (5 a bis 5 i) vom Rand des
Transistors zur Mitte des Transistors hin abnimmt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Emitterfinger (5 a bis 5 i)
je zwischen einem Kollektorkontaktfinger (16) und einem Ba
siskontaktfinger (10) liegen, und daß die Emitterfinger
mit je einem Emitterkontakt
fingern (19) versehen sind, der an dem Rand der Emitter
finger angebracht ist, der am weitesten von dem zugehöri
gen Basiskontaktfinger (10) entfernt ist.
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede Basisteilzone (6 a bis 6 i) nur einen einzigen
Emitterfinger (5 a bis 5 i) enthält.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Basiskontaktfinger (10) leitend mit ei
nem gemeinsamen Basisanschluß (11) verbunden sind.
6. Halbleiterbauelement nach
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der gemeinsame Basis
anschluß (11) mit jeder der Basisteilzonen (5 a bis
6 i) über eine in der Kollektorzone angebrachte Ver
bindung verbunden ist, die durch eine erste Teilzone (12),
vom zweiten Leitungstyp, die an eine zugehörige
Basisteilzone grenzt, und durch eine zweite Teil
zone (13) vom ersten Leitungstyp gebildet wird, die durch
die erste Teilzone von der Kollektorzone getrennt ist.
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mitten der Emitterfinger (5 a bis 5 i)
auf einer geraden Linie liegen, die sich in der Längs
richtung der Reihe der Emitter
finger erstreckt.
8. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eine der Emitter-, Basis- und Kollektorzonen
mit einer Kontaktfläche (20) zum Anschließen eines äußeren
Anschlußleiters (21) verbunden ist, wobei diese Kontaktfläche
direkt neben den in der Mitte
des Transistors vorhandenen kürzesten Emitterfingern (5 e)
liegt.
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