DE3533146A1 - Farbsensorelement, farbempfindliche sensoranordnung mit derartigen farbsensorelementen, eine anwendung des elements oder der anordnung und ein verfahren zur herstellung eines halbleitermaterials fuer das farbsensorelement - Google Patents
Farbsensorelement, farbempfindliche sensoranordnung mit derartigen farbsensorelementen, eine anwendung des elements oder der anordnung und ein verfahren zur herstellung eines halbleitermaterials fuer das farbsensorelementInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Farbsortiment
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, farbempfindliche
Sensoranordnung mit solchen Farbsensorelementen,
die Anwendung eines solchen Elements oder einer
solcher Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung von
Halbleitermaterial für ein solches Element oder eine
solche Anordnung.
Bislang bestehen Farbsensoren aus einem Array von Detektoren,
von denen jeder mit einem bestimmten Farbfilter
abgedeckt ist, oder es werden statt Farbfiltern optische
Strahlteiler, beispielsweise Prismen, verwendet,
die das reflektierte Licht der beleuchteten Körper nach
Farben getrennt auf die einzelnen Detektoren lenken. Man
ist also bisher darauf angewiesen, mindestens drei räumlich
getrennte Detektoren für die Basisfarben rot, grün
und blau zu verwenden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Farbsensorelement der
genannten Art anzugeben, bei dem die räumliche Aufteilung
der den verschiedenen Farben zugeordneten Detektoren
entfällt.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Detektoren aus
mehreren übereinander angeordneten, unterschiedlich
farbempfindlichen Detektoren bestehen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines derartigen
Sensorelements ist gemäß Anspruch 2 so ausgebildet,
daß die Detektoren aus übereinander angeordneten amorphen
Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Bandabständen
gebildet sind.
Durch das erfindungsgemäße Sensorelement, insbesondere
durch das Sensorelement nach Anspruch 2, wird eine Vereinfachung
der optischen Abbildung in dem aus derartigen
Elementen aufgebauten Sensorkopf erreicht.
Ein technologisches Problem bisheriger optischer Sensoren
bestand in deren homogener Ausleuchtung mit reflektiertem
Licht. Bisher wurden dazu zum Teil sehr aufwendige
optische Abbildungs- bzw. Strahlteilersysteme
benutzt. Besondere Schwierigkeiten bezüglich der homogenen
Ausleuchtung machte dabei auch die räumliche Ausdehnung
der Sensorköpfe von 5 bis 10 cm oder mehr, von
denen das vom Objekt reflektierte Licht aufgenommen und
verarbeitet wird. Mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement
läßt sich die räumliche Ausdehnung der Sensorköpfe
verkleinern und dadurch auch eine höhere Abtastgeschwindigkeit
erreichen.
Das erfindungsgemäße Sensorelement, insbesondere das
Element nach Anspruch 2 ist im Hinblick auf die Produktionsüberwachung
durch den Menschen interessant.
Diese ist bei sich ständig wiederholenden gleichartigen
Tätigkeiten, wie aussortieren, depalettieren usw.
eine äußerst ermüdende Tätigkeit. Damit verbunden ist
eine Fehlerquote, die im Verlauf längere Arbeitsabschnitte
stark ansteigt. Demgemäß werden bei entsprechenden
Herstellungsabläufen in stark zunehmendem Maße
Sensorsysteme zur automatischen Erkennung von Farbe oder
Formmustern eingesetzt. Die relativ hohen Kosten solcher
System standen bisher einem vielfältigen Einsatz noch
entgegen.
Das erfindungsgemäße Farbsensorlement dient sonach auch
der Lösung des soeben beschriebenen technologischen wie
auch wirtschaftlichen Problems.
Das Sensorelement nach Anspruch 2 hat darüber hinaus den
Vorteil, daß die übereinanderliegenden Schichten gerade
durch die Verwendung von amorphen Halbleitermaterial
frei von der Notwendigkeit der Anpassung der Kristallgitter
sind, wie sie bei kristallinen Halbleitern
besteht.
Das aus amorphen Halbleiterschichten gebildete Sensorelement
ist zweckmäßigerweise nach Anspruch 3 so ausgebildet,
daß die amorphen Halbleiterschichten aus einem
Grundmaterial bestehen und daß eine Schicht mit einem
vom Bandabstand des Grundmaterials verschiedenen Bandabstand
ein dem Grundmaterial beigemischtes Additiv aufweist.
Durch die Zumischung von Additiven zum jeweils
gewählten Grundmaterial entsteht ein neues Halbleitermaterial
mit verändertem Bandabstand. Wird beispielsweise
zu amorphem Silizium amorphes Germanium gemischt,
entsteht das neue Halbleitermaterial a-Si x Ge1-x mit verändertem
Bandabstand.
Ein Additiv besteht bevorzugterweise gemäß Anspruch 4
aus Germanium, Kohlenstoff, Stickstoff oder/und Zinn.
Bei Verwendung von Si als Grundmaterial können mit diesen
Additiven drei unterschiedliche farbempfindliche
Halbleiterschichten für die drei Basisfarben blau, grün
und rot gebildet werden.
Für die Ausbildung von guten fotoelektrischen Eigenschaften
des amorphen Halbleitermaterials, insbesondere
des aus einem Grundmaterial mit beigemischtem
Additiv bestehenden Halbleitermaterials sind vorteilhafterweise
gemäß Anspruch 5 Defektzustände im amorphen
Halbleitermaterial durch Stoffeinbau abgesättigt.
Bevorzugterweise sind nach Anspruch 6 die Defektzustände
durch Wasserstoff- oder Halogeneinbau abgesättigt.
Zur Feldererzeugung und Ladungsträgertrennung in amorphen
Halbleiterdioden stellt die pin-Struktur die
technologisch beste Möglichkeit dar. Sie ist bereits mit
relativ hohem Fotostrom, d. h. mit geringen Verlusten,
realisierbar. Demgemäß ist ein mit amorphen Halbleiterschichten
aufgebautes erfindungsgemäßes Sensorelement
vorteilhafterweise nach Anspruch 7 so ausgebildet, daß
die Detektoren Dioden mit pin-Struktur aufweisen, die in
den amorphen Halbleiterschichten ausgebildet sind.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen
eines mit amorphen Halbleiterschichten aufgebauten Farbsensorelements
gehen aus den Ansprüchen 8 bis 21 hervor.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil eines mit amorphen
Halbleiterschichten aufgebauten erfindungsgemäßen
Sensorelements liegt darin, daß die Möglichkeit der Herstellung
von Dünnfilm-Transistoren aus dem gleichen
amorphen Halbleitermaterial wie die Halbleiterschichten
besteht. Es sind dadurch ganze Schaltungen in Dünnfilmtechnik
realisierbar. Danach lassen sich eine solche
Dünnfilmschaltung mit erfindungsgemäßen Sensorelementen
auf dem gleichen Substrat realisieren, und demgemäß ist
eine vorteilhafte farbempfindliche Sensoranordnung mit
einem oder mehreren erfindungsgemäßen Sensorelementen
nach Anspruch 23 so ausgebildet, daß die Sensorelemente
zusammen mit einer Dünnfilm-Transistoren aus dem
gleichen amorphen Halbleitermaterial aufweisenden Schaltung
in Dünnfilmtechnik auf dem gleichen Substrat aufgebracht
sind. Die Schaltung kann gemäß Anspruch 23 eine
Auswertelogik für die Sensorelemente aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Sensorelement oder eine erfindungsgemäße
Sensoranordnung ist vorteilhafterweise in
Halbleiterkameras anwendbar (Anspruch 24) und ermöglicht
den Bau von Kameras geringer Größe.
Zur Herstellung amorpher Halbleiterschichten eignen sich
besonders die Zersetzung von SiH4, CH4, C2H2, GeH4 oder
Sn(CH3)4 (Anspruch 25) und anderer gasförmiger Verbindungen
in der Glimmentladung. Aber auch gesputtertes
oder aufgedampftes amorphes Halbleitermaterial kann verwendet
werden, wenn die Defektzustände mit einem Zusatzstoff,
z. B. Wasserstoff, abgesättigt werden (Ansprüche
26 und 27).
Die Erfindung wird anhand der Figuren in der folgenden
Beschreibung beispielhaft erläutert. Von den Figuren
zeigen:
Fig. 1 ein System aus drei aneinandergrenzenden amorphen
Halbleiterschichten unterschiedlichen Bandabstandes,
Fig. 2 den normierten spektralen Wirkungsgrad Q der
einzelnen Schichten nach Fig. 1 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge,
Fig. 3 den Aufbau eines aus drei amorphen Halbleiterdioden
in pin-Struktur gebildeten Sensorelements,
Fig. 4 eine vorteilhafte Varinate des Sensorelements
nach Fig. 3, und
Fig. 5 in Draufsicht und in Seitenansicht eine farbempfindliche
Sensoranordnung, bei der die Sensorelemente
zusammen mit einer Schaltung in
Dünnfilmtechnik auf dem gleichen Substrat
aufgebracht sind.
In der Fig. 1 sind drei Schichten 1 bis 3 aus amorphem
Halbleitermaterial vertikal verlaufend und nebeneinander
dargestellt. Die Schicht 1 besteht aus a-Si x C1-x:H, die
Schicht 2 aus a-Si:H und die Schicht 3 ausa-Si x Ge1-x:H.
In jeder Schicht ist das zugeordnete Leitungsband E C ,
das Valenzband E V und das gemeinsame Niveau E F der
Fermienergie eingetragen. Der Bandabstand zwischen dem
Leitungsband E C und dem Valenzband E V ist für die
Schicht 1 mit E, für die Schicht 2 mit E G und für die
Schicht 3 mit E bezeichnet.
Wie schon angedeutet, besteht die Schicht 2 aus dem
Grundmaterial Si, dessen Defektzustände mit Wasserstoff
abgesättigt sind, d. h. aus a-Si:H. Der Bandabstand E G
für dieses Material mit guten Fotoleitungseigenschaften
liegt je nach H-Gehalt bei 1,5 EV bis 1,8 EV.
Für das Material a-Si1-xC1-x:H der Schicht 1 kann der
Bandabstand E im Bereich von 0 ≦ωτ x ≦ωτ 1 von 2,8 eV bis
1,7 eV, für das Material a-Si x Ge1-x:Hder Schicht 3 von
1,0 eV bis 1,8 eV variiert werden. Damit ist es möglich,
die Bandabstände E, E G und E der Schichten 1, 2 und
3 beispielsweise den Basisfarben blau, grün bzw. rot
anzupassen.
Für a-Si x N1-x:H kann der Bandabstand von 1,7 eV bis 5,5
eV und für a-SixSn1-x:H von 1,1 eV bis 1,7 eV varriert
werden. Damit läßt sich auch mit diesen Stoffen zur Anpassung
an beispielsweise die Basisfarben blau, grün und
rot arbeiten.
Die Fig. 2 zeigt den normierten spektralen Wirkungsgrad
Q für die drei Schichten 1 bis 3 in Abhängigkeit von der
Wellenlänge λ. Die Wirkungsgradkurve B ist der Schicht 1
und der Basisfarbe blau, die Kurve G der Schicht 2 und
der Basisfarbe grün, und die Kurve R der Schicht 3 und
der Basisfarbe rot zugeordnet.
Das Sensorelement nach Fig. 3 besteht aus drei übereinander
angeordneten Detektoren D1, D2 und D3 für die
Farben blau, grün bzw. rot. Jeder dieser Detektoren
weist eine Diode mit pin-Struktur auf, die in einer
amorphen Halbleiterschicht 1, 2 bzw. 3 nach Fig. 1
ausgebildet ist. Entsprechend Fig. 1 nehmen die Bandabstände
E, E G bzw. E der amorphen Schichten 1, 2 bzw.
3 in Lichteinfallsrichtung R ab.
Die einzelnen Detektoren D 1, D 2 und D 3 sind auf getrennten
Substraten 13, 23 bzw. 33 aufgebracht, die auf der
von der Seite des Lichteinfalls abgekehrten Seite der
betreffenden Halbleiterschicht angeordnet sind und aus
transparentem Glas bestehen.
Zwischen der amorphen Halbleiterschicht 1, 2 bzw. 3
jedes Detektors D 1, D 2 und D 3 und dem zugeordneten Substrat
13, 23 bzw. 33 ist eine Elektrodenschicht 12, 22
bzw. 32 aus elektrisch leitendem Material angeordnet,
wobei die Elektrodenschichten 12 und 22 aus transparentem
leitfähigem Material, wie beispielsweise aus
Indiumzinnoxid oder dotiertem Zinnoxid, beispielsweise
SnO2:F besteht, während die Elektrodenschicht zweckmäßigerweise
aus einem Metallfilm besteht. Dieser bietet
Schutz vor Fremdlichteinfall von der Rückseite, weist
eine bessere Leitfähigkeit auf als die Schichten aus
transparentem leitfähigem Material bzw. TCO-Material und
ermöglicht außerdem eine erhöhte Rotempfindlichkeit bei
Metallen mit hoher Reflektivität im roten Spektralbereich,
wie beispielsweise Silber.
Das Substrat 33 mit der Schicht 32 können vorteilhafterweise
auch in Form eines Metallblechs zusammengefaßt
sein.
Auf der Lichteinfallsseite der amorphen Halbleiterschichten
1, 2 bzw. 3 jedes Detektores D 1, D 2 bzw. D 3
sind ebenfalls Elektrodenschichten 11, 21 bzw. 31 aus
transparentem leitfähigen Material aufgebracht.
Die pin-Struktur der Diode jedes Detektors D 1, D 2 bzw.
D 3 ist in der betreffenden Halbleiterschicht 1, 2 bzw. 3
ausgebildet. Sie besteht jeweils aus einer n-leitenden
Teilschicht n an der Oberfläche der betreffenden Schicht
auf der Lichteinfallsseite, aus einer p-leitenden Teilschicht
p an der gegenüberliegenden Oberfläche und aus
einer die beiden Teilschichten n und p trennenden eigenleitenden
Zwischenschicht i.
Die elektrisch leitenden Schichten 11, 12, 21, 22 bzw.
31 und 32 sind kontaktierbar.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die Detektoren
D 1, D 2 und D 3 auf einem gemeinsamen Substrat 34 gestapelt.
Sie sind durch zwischen den leitfähigen Schichten
12 und 21 sowie 22 und 31 angeordneten galvanischen
Trennschichten bzw. Schichten 14 bzw. 15 aus elektrisch
isolierendem Material voneinander getrennt, die aus
amorphem Siliziumdioxid oder -nitrid bestehen können.
Das gemeinsame Substrat 34 besteht vorzugsweise aus Glas
und die amorphe Halbleiterschicht 1, 2 bzw. 3 jedes
Detektors D 1, D 2 bzw. D 3 deckt die in Lichteinfallsrichtung
unmittelbar folgende angrenzende leitfähige
transparente Schicht 12, 22 bzw. 32 nur teilweise ab, so
daß eine Kontaktfläche zum Kontaktieren freibleibt.
Der auf der Lichteinfallsseite liegende oberste Detektor
D1 ist mit einer transparenten Schutzabdeckung 35, beispielsweise
aus Glas, teilweise abgedeckt.
Bei der in Fig. 5 dargestellten farbempfindlichen
Sensoranordnung mit einem oder mehreren Sensorelementen
S nach Fig. 4 oder 5 sind die Sensorelemente S zusammen
mit einer Dünnfilm-Transistoren aus dem gleichen
amorphen Halbleitermaterial aufweisenden Schaltung L in
Dünnfilmtechnik auf dem gleichen Substrat 34 aufgebracht.
Die Schaltung L kann eine Auswertelogik für
die Sensorelemente S aufweisen. Der Gesamtaufbau einer
solchen voll integrierten farbempfindlichen Sensoranordnung
nimmt nur eine Baugröße von wenigen Quadratzentimetern
einer Glasplatte ein.
Claims (27)
1. Farbsensorelement, bestehend aus mehreren, verschiedenen
Farben zugeordneten Detektoren (D 1, D 2, D 3),
dadurch gekennzeichnet, daß die
Detektoren aus mehreren, übereinander angeordneten,
unterschiedlich farbempfindlichen Detektoren bestehen.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektoren (D 1, D 2,
D 3) aus übereinander angeordneten amorphen Halbleiterschichten
(1, 2, 3) mit unterschiedlichen Bandständen
E, E G , E) gebildet sind.
3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die amorphen Halbleiterschichten
(1, 2, 3) aus einem Grundmaterial bestehen,
und daß eine Schicht mit einem vom Bandabstand des
Grundmaterials (E G ) verschiedenen Bandabstand (E, E)
ein dem Grundmaterial beigemischtes Additiv aufweist.
4. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Additiv aus Germanium
(Ge), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) oder/und Zinn (Sn)
besteht.
5. Element nach einem der Ansprüche 2 bis 4, insbesondere
nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß Defektzustände im amorphen
Halbleitermaterial durch Stoffeinbau abgesättigt sind.
6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß Defektzustände durch
Wasserstoff- oder Halogeneinbau abgesättigt sind.
7. Element nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Detektoren (D 1, D 2, D 3) Dioden mit pin-Struktur aufweisen,
die in den amorphen Halbleiterschichten (1, 2,
3) ausgebildet sind.
8. Element nach einem der Ansprüche 2 bis 7, insbesondere
nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bandabstände (E, E G , E) in
den amorphen Schichten (1, 2, 3) in Lichteinfallsrichtung
(R) abnehmen.
9. Element nach einem der Ansprüche 2 bis 8, insbesondere
nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die amorphe Halbleiterschicht
(1, 2, 3) jedes Detektors (D 1, D 2, D 3) zwischen
zwei angrenzenden, leitfähigen, kontaktierbaren Schichten
(11, 12; 21, 22; 31, 32) angeordnet und in dieser
Form auf einem Substrat (13, 23, 33; 34) befestigt ist,
wobei alle in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgenden
leitfähigen Schichten (11, 12, 21, 22, 31, 32), allenfalls
mit Ausnahme der letzten Schicht (32) aus transparentem
Material bestehen.
10. Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß eine leitfähige transparente
Schicht (11, 12, 21, 22, 31, 32) aus Indiumzinnoxid
oder aus dotiertem Zinnoxid besteht.
11. Element nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die letzte Schicht
(32) der in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgenden
leitfähigen Schichten (11, 12, 21, 22, 31, 32) aus einer
lichtundurchlässigen Metallschicht besteht.
12. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschicht (32)
aus Silber besteht.
13. Element nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus
einem Metallblech besteht, das zugleich das Substrat für
den oder die darüberliegenden Detektoren (D 1, D 2, D 3)
bildet.
14. Element nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die einzelnen
Detektoren (D 1, D 2, D 3) auf getrennten Substraten
(13, 23, 33) aufgebracht sind, wobei alle in Lichteinfallsrichtung
aufeinanderfolgenden Substrate (13, 23, 33),
allenfalls mit Ausnahme des letzten Substrats (33),
aus transparentem Material bestehen.
15. Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß ein transparentes Substrat
(13, 23, 33) aus Glas besteht.
16. Element nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Detektoren (D 1, D 2, D 3) auf einem gemeinsamen Substrat
(34) aufgestapelt sind.
17. Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektoren (D 1, D 2,
D 3) durch zwischen leitfähigen transparenten Schichten
(12, 21; 22, 31) angeordneten Schichten (14, 15) aus
elektrisch isolierendem Material voneinander getrennt
sind.
18. Element nach Anspruch 16 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das gemeinsame
Substrat (34) aus Glas besteht.
19. Element nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die
amorphe Halbleiterschicht (1, 2, 3) jedes Detektors
(D 1, D 2, D 3) die in Lichteinfallsrichtung unmittelbar
folgende angrenzende leitfähige Schicht (12, 22, 32) nur
teilweise abdeckt, so daß eine Kontaktfläche freibleibt.
20. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die
übereinander angeordneten Detektoren (D 1, D 2, D 3) auf
der Lichteinfallsseite mit einer transparenten Schutzabdeckung
(35) zumindest teilweise abgedeckt sind.
21. Element nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzabdeckung (35)
aus Glas besteht.
22. Farbempfindliche Sensoranordnung mit einem oder
mehreren Sensorelementen nach einem der Ansprüche
2 oder 21, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorelemente (S) zusammen mit einer Dünnfilm-
Transistoren aus dem gleichen amorphen Halbleitermaterial
aufweisenden Schaltung (L) in Dünnfilmtechnik auf
dem gleichen Substrat (34) aufgebracht sind.
23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltung (L) eine
Auswertelogik für die Sensorelemente (S) aufweist.
24. Anwendung eines Sensorelements nach einem der Ansprüche
1 bis 20 oder einer Sensoranordnung nach Anspruch 21
oder 22 in einer Halbleiterkamera für Farbbilder.
25. Verfahren zur Herstellung von amorphem Halbleitermaterial,
insbesondere für ein Sensorelement nach
einem der Ansprüche 2 bis 21 oder einer Sensoranordnung
nach Anspruch 22 oder 23, gekennzeichnet
durch die Zersetzung von SiH4, CH4, C2H2,
GeH4 oder Sn(CH3)4 in der Glimmentladung.
26. Verfahren zur Herstellung von amorphen Halbleiterschichten,
insbesondere für ein Sensorelement nach einem
der Ansprüche 2 bis 21 oder einer Sensoranordnung nach
Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet,
daß amorphes Halbleitermaterial aufgesputtert
oder -gedampft und Defektzustände mit einem
Zusatzstoff abgesättigt werden.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch
gekennzeichnet, daß Defektzustände mit
Wasserstoff abgesättigt werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853533146 DE3533146A1 (de) | 1985-09-17 | 1985-09-17 | Farbsensorelement, farbempfindliche sensoranordnung mit derartigen farbsensorelementen, eine anwendung des elements oder der anordnung und ein verfahren zur herstellung eines halbleitermaterials fuer das farbsensorelement |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19853533146 DE3533146A1 (de) | 1985-09-17 | 1985-09-17 | Farbsensorelement, farbempfindliche sensoranordnung mit derartigen farbsensorelementen, eine anwendung des elements oder der anordnung und ein verfahren zur herstellung eines halbleitermaterials fuer das farbsensorelement |
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ID=6281191
Family Applications (1)
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