DE2502481C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement
mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Das Halbleiterbauelement findet Anwendung in
der Elektronik, besonders bei der Herstellung von Schieberegistern,
Verzögerungsleitungen, Speichern, optischen Speicher,
usw.
Ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente (in der angelsächsischen
Nomenklatur "Charge-coupled devices" oder abgekürzt
CCD), im folgenden noch als CCD-Gebilde bezeichnet, sind Halbleitersysteme,
in denen man Ladungen in Potentialtöpfen speichert,
die an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats erzeugt sind, und in
denen man diese Ladung durch Verschieben der Potentialtöpfe
überträgt. Diese CCD-Gebilde weisen ganz schematisch ein dotiertes
Halbleitermaterial als Halbleitersubstrat, eine Schicht
aus isolierendem Material und eine Anordnung von metallischen
Elektroden auf, die auf die entsprechenden Potentiale gebracht
sind. Diese Struktur ist also vom Typ Metall-Isolator-Halbleiter,
wobei der Isolator besonders ein Oxid sein kann. Die
auf diese Weise in solchen CCD-Gebilden verschobenen Ladungen
sind die Minderheitsträger des Halbleitersubstrats, beispielsweise
die Löcher, wenn die Halbleiter vom n-Typ ist.
Eine Beschreibung der allgemeinen Eigenschaften solcher CCD-
Gebilde findt sich in zwei Originalartikeln, beide veröffentlicht
in "Bell System Technical Journal", Band 49, 1970, und
zwar "Charge-coupled semiconductor devices" von W.S. Boyle und
G.E. Smith auf Seite 587-593 und "Experimental Verification of the
charge-coupled devices concept" von G.F. Amelio, M.F. Tompsett
und G.E. Smith auf Seite 593-600.
In diesen CCD-Gebilden muß man den einseitig gerichteten Ladungstransport
sicherstellen und dazu asymmetrische Potentialtöpfe
für die Minderheitsladungsträger erzeugen, die stromabwärts tiefer
als stromaufwärts sind. Zur Erzeugung solcher Töpfe sind
zahlreiche Mittel bekannt.
Beispielsweise verwendet man in der aus DE-OS 21 07 110 bekannten
Informations-Speicherbaueinheit drei Taktgeber, die
jeder durch drei einander kreuzende Steuerleitungen mit einer
von drei Elektroden verbunden sind. Um die Zahl der Taktgeber
und der zugehörigen Steuerleitungen auf zwei zu verringern,
kann man im Halbleitersubstrat unter einer Elektrode eine Oberflächenschicht
ausbilden, deren Dotierung unter der stromaufwärts
liegenden Kante der Elektrode stärker ist als unter dem Rest
der Elektrode. Damit erhält man ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement
der eingangs genannten Art, wie es unter anderem in
der DE-OS 22 31 616 beschrieben ist.
In dieser DE-OS sind auch ebenso wie
in der Veröffentlichung mit dem
Titel "One-phase CCD: a new approach to charge-coupled device
clocking" in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Februar 1972,
Seiten 92-93 ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente
mit nur einer Steuerleitung beschrieben.
Alle diese Maßnahmen, welche eine einseitige Richtung des Ladungstransports
gewährleisten, sind in der Durchführung sehr
komplex.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement der eingangs
genannten Art einfacher und vor allem einfacher herstellbar auszubilden.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung der gestellten Aufgabe
ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement vorgeschlagen,
welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Wie aus dem Folgenden ersichtlich, bietet das erfindungsgemäße
ladungsgekoppelte Halbleiterbauelement zahlreiche Vorteile,
besonders dadurch, daß es durch sehr einfache Verfahren herstellbar
ist und als Halbleiterbauelement bessere Leistungen
aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung erläutert.
Hierin zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm der Energieverteilung der verschiedenen
Bänder der beiden Halbleitermaterialien, die
gemeinsam benutzt werden, um die einseitige Richtung des Ladungsträgertransports
zu gewährleisten;
Fig. 2 einen Schnitt einer Zone eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements, in der
ein asymmetrischer Oberflächenpotentialtopf erzeugt ist, indem
man in eine erstes Halbleitermaterial ein solches aus einem
zweiten Halbleitermaterial mit vom ersten Halbleitermaterial
verschiedenem verbotenem Band eingebracht hat (Fig. 2a), und
das Profil des durch diese Einbringung erhaltenen Oberflächenpotentials
(Fig. 2b);
Fig. 3 die Anwendung der Maßnahme nach Fig. 2 bei einem ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement
mit nur einer Steuerleitung (Fig. 3a), und das Profil
des Oberflächenpotentials längs dieses Halbleiterbauelements
(Fig. 3b);
Fig. 4 die Anwendung der Ausbildung nach Fig. 2 bei einem ladungsgekoppelten
Halbleiterbauelement mit zwei Steuerleitungen.
In der folgenden Beschreibung sei nur zur Erläuterung der Fall
angenommen, daß die Halbleitermaterialien vom n-Typ sind, wo die Minderheitsladungsträger
Löcher sind, welche im beschriebenen Halbleiterbauelement
transportiert werden.
Fig. 1 zeigt in einem Diagramm die Energieverteilung der verschiedenen
Bänder zweier Halbleitermaterialien mit zwei verschiedenen
breiten verbotenen Bändern. Der linke Teil der Figur
entspricht einem Halbleitermaterial SC 1, das ein Leitungsband
mit der Energie E c1 und ein Valenzband mit der Energie E v1 hat.
Der rechte Teil der Figur entspricht einem Halbleitermaterial
SC 2, dessen Leitungsband die Energie E c2 und dessen Valenzband
die Energie E v2 hat. An der Verbindungsstelle dieser beiden
Halbleitermaterialien stimmen bei erreichtem Gleichgewicht die Fermi-Niveaus
überein, deren Energien mit E F bezeichnet sind. Die Eigenleitungs-
Energien E i sind definitionsgemäß die mittleren Energien zwischen
den Energien des Leitungsbandes und des Valenzbandes.
Aus klassischen Betrachtungen der Halbleitertheorie ergibt sich,
daß die Lage des Fermi-Niveaus bezüglich des Valenzbandes durch die
folgende Beziehung definiert ist:
worin E g gleich der Breite des verbotenen Bandes, d. h. E c - E v ,
k die Boltzman-Konstante, T die absolute Temperatur, N c eine Konstante,
die nur von der Temperatur und der Masse der Ladungsträger
abhängt, und N D die Dichte der negativen Ladungsträger sind.
Wenn die Energie des Valenzbandes des Halbleitermaterials 2 über der Energie
des Valenzbandes des Halbleitermaterials 1 liegen soll, muß die folgende
Bedingung erfüllt sein:
worin N D1 und N D2 die Dotierungen der Halbleitermaterialien SC 1 und SC 2 angeben.
Die Ungleichung (1) ist äquivalent der Ungleichung
Wenn die Dotierungen N D1 und N D2 und die Konstanten N c1 und N c2
nahe beieinanderliegen, ist die Ungleichung (2) erfüllt, sobald die
Energien der verbotenen Bänder E g1 und E g2 ein wenig verschieden
sind, was in der Praxis der Fall ist. Beispielsweise hat man im Fall
des Paares Silicium und Germanium E g -Werte von 1,1 eV bzw. 0,7 eV,
was zu einem Abstand der Werte der verbotenen Bänder von 0,4 eV
führt. Bei einem solchen Paar von Halbleitermaterialien ist der Exponentialausdruck
der Beziehung (2) sehr klein, und wenn die Dotierungen N D
und die Konstanten N c sich nicht wesentlich voneinander unterscheiden,
ist die Ungleichung erfüllt.
Die Situation der Valenzbänder ist dann die in Fig. 1 gezeigte. Daraus
ergibt sich, daß die Löcher des Halbleitermaterials SC 1, also die im
ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement transportierten Ladungen, vom
Valenzband des Halbleiters 1 zum Valenzband des Halbleiters 2 gezogen
werden. Man hat also, wie beabsichtigt, ein auf die Minderheitsladungsträger
in einer Richtung wirkendes Feld erzeugt.
Fig. 1 betrifft einen allgemeinen Fall, jedoch ist leicht ersichtlich,
daß bei nahe beieinanderliegenden Dotierungen und Konstanten
N c , wenn also N D1 # N D2 und N c1 # N c2 ist, die Energien E c1 und
E c2 der Leitungsbänder sehr nahe benachbart sind. Ebenso kann man
durch Berechnung des Abstandes zwischen der Fermi-Energie und der
Eigenleitungs-Energie feststellen, daß die beiden Eigenleitungs-Energien der
Halbleitermaterialien SC 1 und SC 2 in dem besonderen Fall zusammenfallen, wo
was man auch schreiben kann:
worin n i die Dichte der Ladungen im Leitungsband (oder die ihr gleiche
Zahl von Löchern im Valenzband) für den entsprechenden eigenleitenden
Halbleitermaterialien ist.
Aus Obigem ergibt sich, daß die Dotierungsbedingungen der beiden
Halbleitermaterialien nicht kritisch sind, wenn der Abstand der Energie des
verbotenen Bandes genügend groß ist. In der Praxis kann man
vorteilhafterweise vorsehen, daß die beiden Dotierungen nahe
beianderliegen, was die Herstellung vereinfacht.
Fig. 2a zeigt im Schnitt eine Zone eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements, indem
durch Einführung eines ersten Halbleitermaterials SC 1 in einen
Bereich, der aus einem zweiten Halbleitermaterial SC 2 mit einer
vom ersten Halbleitermaterial verschiedenen Breite des verbotenen
Bandes besteht, ein asymmetrischer Potentialtopf erzeugt
wurde. Für Fig. 2 wurde angenommen, daß das Halbleitermaterial
SC 2 stromabwärts bezüglich der Transportrichtung D der Minderheitsladungsträger
angeordnet ist. Entsprechend dem Schema der Fig. 1
ist ersichtlich, daß das Halbleitermaterial SC 2 dasjenige mit
einem verbotenen Band mit geringerer Breite ist, beispielsweise
Germanium, wenn SC 1 Silicium ist. Die Vorrichtung weist
außer den beiden Halbleitermaterialien SC 1 und SC 2 eine beliebige
Isolierschicht 10 auf, welche andere nicht gezeigte
und für ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente charakteristische Vorrichtungen tragen
kann.
Fig. 2b zeigt das Profil des Oberflächenpotentials V s längs
der in Fig. 2a gezeigten Zone. Dieses Potential ist das der
Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial und dem Isolator 10. Da
die Minderheitsladungsträger in das Halbleitermaterial SC 2 gezogen
werden, ist der Potentialtopf auf dem Niveau dieses Halbleitermaterials
SC 2 tiefer als im Rest der Zone. Man hat daher im
Betrieb ein Profil wie in Fig. 2b gezeigt. Die Einführung
eines zweiten Halbleitermaterials SC 2 mit einem weniger breiten
verbotenen Band in ein Halbleitermaterial SC 1 ist also ein
Mittel, um einen Potentialtopf mit einem asymmetrischen Oberflächenpotential
zu erzeugen, das stromabwärts tiefer als
stromaufwärts ist und so den einseitig gerichteten Ladungstransport
in einem ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement
gewährleistet.
Die Fig. 3 und 4 zeigen die Anwendung einer solchen Maßnahme
bei ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen.
Fig. 3 zeigt ein ladungsgekoppeltes Haltleiterbauelement mit
einer einzigen Steuerleitung. Fig. 3a, die einen Schnitt eines
solchen Bauelements darstellt, zeigt ein erstes Halbleitermaterial
SC 1, auf dem eine Isolierschicht 12 und Elektroden 14
angeordnet sind, die alle über einen Leiter 16 mit einer Spannungsquelle
18 verbunden sind, welche eine zyklisch zwischen
zwei Grenzwerten V 1, und V 2 wechselnde Spannung V G liefert. Das
Bauelement der Fig. 3a weist außerdem einerseits unter den
Elektroden einen Bereich 20, der von einem zweiten Halbleitermaterial
SC 2 gebildet ist und andererseits in dem Intervall
zwischen den Elektroden eine gleiche Region 2, die vom gleichen
Halbleitermaterial SC 2 gebildet ist, auf.
Das Oberflächenpotential an der Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial
SC 1 und dem Isolator 12 verändert sich längs
des Bauelements in der in Fig. 3b gezeigten Weise. Für einen
bestimmten Wert der Spannung V G beobachtet man unter jeder
Elektrode einen asymmetrische Potentialtopf, der entsprechend
den Eigenschaften der unter den Elektroden liegenden Zone mit
zwei Halbleitermaterialien stromabwärts tiefer als stromaufwärts
ist. Die Tiefe dieser Töpfe hängt von der an die Elektroden
14 angelegten Spannung V G ab. In Fig. 3b sind zwei Werte
dieses Potentials für die Grenzwerte V 1 und V 2 der Spannung V G
gezeigt. Im Zwischenelektrodenraum beobachtet man ebenfalls
einen asymmetrischen Potentialtopf, der aus den gleichen Gründen
stromabwärts tiefer als stromaufwärts ist, jedoch ist
dieser Topf permanent, da das Oberflächenpotential im Zwischenelektrodenraum
in weitem Maß unabhängig von dem an die Elektroden
angelegten Potential ist und sich, wenn die Oberflächenwiderstände
geeignet gewählt sind, nach Verlauf
einer genügenden Zeit auf den Mittelwert zwischen V 1 und V 2 einstellt.
Es sei bemerkt, daß man auch einen zweiten Satz von Elektroden
benutzen kann, die zwischen die ersten Elektroden eingesetzt
und durch eine entsprechende Leitung 16 mit einer Spannungsquelle
verbunden sind, die konstant diesen Mittelwert hat. Die Vorrichtung
ist dann sofort betriebsbereit, jedoch komplizierter.
Das beschriebene ladungsgekoppelte Halbleiterbauelement arbeitet wie
folgt: Wenn die angelegte Spannung V G ≈ V 1 ist (im allgemeinen ist
diese Spannung negativ für ein Substrat von n-Typ), haben die unter
den Elektroden erzeugten Potentialtöpfe ihre größte Tiefe, und die
positiven Ladungen sind dort in der stromabwärts liegenden Zone gefangen.
Wenn die Spannung V G den Wert V 2 annimmt, verringert sich
die Tiefe der Potentialtöpfe unter den Elektroden 14, und die dort
gegebenenfalls festgehaltenen Ladungen werden in den permanenten
asymmetrischen Potentialtopf des stromabwärts unmittelbar benachbarten
Zwischenelektrodenraums transportiert. Diese Ladungen werden
in den unter der folgenden Elektrode erzeugten Potentialtopf transportiert,
wenn die Spannung V G wieder den Wert V 1 annimmt.
Die Spannung V G kann von beliebiger Form und beispielsweise rechteckig
sein. Die einzigen zu erfüllenden Bedingungen sind, daß die
Werte von V 1 und V 2 so sind, daß die Mindesttiefe des Potentialtopfs
stromabwärts von den Elektroden geringer als die Tiefe des Potentialtopfs
stromaufwärts vom Zwischenelektrodenraum und die maximale
Tiefe des Potentialtopfs stromaufwärts von den Elektroden größer
als die Tiefe des Potentialtopfs stromabwärts vom Zwischenelektrodenraum
ist. Unter diesen Bedingungen kann der Ladungstransport
richtig im Verlauf eines Spannungszyklus zunächst von der unter
den Elektroden liegenden Zone zum Zwischenelektrodenraum und dann
vom gleichen Zwischenelektrodenraum zu der unter der folgenden
Elektrode liegenden Zone stattfinden.
Die beschriebene Maßnahme zur Ausbildung der einseitigen
Richtung des Ladungstransports ist nicht nur für ein
ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit einer einzigen Steuerleitung sondern auch beispielsweise
für ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit zwei Steuerleitungen anwendbar,
wie in Fig. 4 gezeigt. Dieses Bauelement weist ein Substrat
aus einem ersten Halbleitermaterial SC 1 und eine Isolierschicht
30 auf, auf der die Elektroden 32 und 34 abgeschieden
sind, die jeweils über Leitungen 32′ bzw. 34′ mit zwei Taktgebern
32″ und 34″ verbunden sind. Die Maßnahme zur Ausbildung
der einseitigen Richtung des Ladungstransportes besteht
darin, daß unter dem stromabwärts liegenden Ende jeder der
Elektroden Bereiche 40 angeordnet sind, die aus einem zweiten
Halbleitermaterial SC 2 bestehen, dessen verbotenes Band weniger
breit ist als das des Halbleitermaterials SC 1. Unter diesen
Bedingungen werden unter jeder Elektrode asymmetrische Potentialtöpfe
erzeugt, die stromabwärts tiefer als stromaufwärts sind,
und das so hergestellte Bauelement arbeitet wie jedes ladungsgekoppelte Halbleiterbauelement
mit zwei Steuerleitungen, vergl. z. B. die bereits genannte DE-OS 22 31 616.
In den beiden beschriebenen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen
mit einer oder zwei Steuerleitungen kann man stets
durch eine Kompensation an der Gesamtheit des Halbleitersubstrats
die Spannung V s so einstellen, daß die entsprechenden
Werte von V 1 und V 2 bezüglich der Masse symmetrisch sind. Wenn
angenommen beispielsweise der Halbleiter vom n-Typ ist, kann
man zu diesem Zweck auf dem Halbleiter gleichmäßig eine Schicht
vom p-Typ, z. B. durch Ionenimplantation von Bor abscheiden.
Außer dem Vorteil, daß man bezüglich der Masse symmetrische
Spannungen hat, kann man bei dieser Abwandlung den Kanal,
in dem die Minderheitsladungsträger strömen, "eingraben", um so Rekombinationen
an der Oberfläche des Halbleiters zu vermeiden
und die Leistung des Bauelements zu verbessern.
Ein erster Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist, daß sie
zu planaren ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen, also
solchen ohne Stufe, führt, für welche die Technologie im Vergleich
mit äquivalenten bekannten Bauelementen sehr vereinfacht
ist. Ein zweiter Vorteil ist, daß man sehr einfach ladungsgekoppelte
Halbleiterbauelemente mit einer einzigen
Steuerleitung herstellen kann. In allen Fällen erfordert die
erfindungsgemäße Lösung keine Beachtung kritischer Dotierungsbedingungen.
Diese Dotierungen können besonders auch stärker
sein, was den Einfluß von Rekombinationen der Ladungsträger
begrenzt.
Um das aus zwei Halbleitermaterialien bestehende Halbleitersubstrat herzustellen,
kann man offensichtlich Kristalle zweier
verschiedener Halbleitermaterialien von unterschiedlicher Breite des verbotenen Bands nebeneinander
anordnen oder in einen Kristall eines ersten Typs von
Halbleitermaterial mit größerer Abmessung eine Folge von Kristallen
des anderen Typs von Halbleitermaterial mit geringer
Breite des verbotenen Bands einführen. Diese Herstellungsweisen sind jedoch eher
theoretisch als praktisch. Am bequemsten erhält man das gewünschte
Ergebnis, indem man von einem Kristall mit großen
Abmessungen eines ersten Typs von Halbleitermaterial ausgeht
und örtlich in einer Folge von Zonen geringer Breite die Breite
des verbotenen Bandes dieses Halbleitermaterials durch Einbau
von Atomen des anderen Typs von Halbleitermaterial modifiziert.
Die Breite des verbotenen Bandes der so hergestellten Zonen
kann auf diese Weise fortschreitend modifiziert werden, bis
man im Maximum die Breite des verbotenen Bands des Halbleitermaterials des zweiten
Typs erhält. Das kann durch Diffusion, jedoch noch viel einfacher
durch Ionenimplantation geschehen.
Das gegebene Beispiel von Silicium und Germanium ist nicht
das einzig vorstellbare, und besonders kann man in einem Substrat
von Silicium Zonen erzeugen, die aus einer Halbleiterverbindung
vom Typ III-V, wie GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb
oder vom Typ II-VI, wie CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, bestehen. Im
letztgenannten Fall genügt es, zwei aufeinanderfolgende Implantationen
von Ionen der beiden Bestandteile der Halbleiterverbindung
durchzuführen.
Schließlich werden die besten Leistungen der beschriebenen Bauelemente
erhalten, indem man die Technik Silicium auf
Isolator benutzt.
Claims (3)
1. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit einem
Halbleitersubstrat, das aus einem ersten dotierten Halbleitermaterial
besteht, einer Anordnung von längs einer Reihe aufeinanderfolgenden
und vom Halbleitersubstrat durch eine dünne
Isolierschicht isolierten Metallelektroden mit Vorrichtungen,
welche Minderheitsladungsträger unter mindestens der ersten
Elektrode einspeisen, mit Vorrichtungen, welche die Gegenwart
von Ladungen unter mindestens der letzten Elektrode nachweisen,
mit einer Spannungsquelle und mindestens einer Steuerleitung,
wodurch die Elektroden zyklisch wechselnd auf geeignete
Potentiale gebracht werden, um mit halbleitenden Zonen,
die in Beziehung zu den Elektroden in der unter der Isolierschicht
liegenden Oberflächenzone des Halbleitersubstrats
angeordnet sind und eine andere Zusammensetzung als das Halbleitersubstrat
haben, derart, daß asymmetrische Potentialtöpfe
für die Minderheitsladungsträger erzeugt werden, die
in Richtung des Ladungsträgertransports gesehen jeweils aus
einem flacheren und einem darauf folgenden tieferen Abschnitt
bestehen und so die einseitige Richtung des Transports der
Ladungsträger längs der Reihe gewährleisten, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zonen (20, 22, 40) von einem zweiten Halbleitermaterial
(SC 2 ) gebildet sind, dessen verbotenes Band
eine andere Breite als das verbotene Band des ersten Halbleitermaterials (SC 1 ) hat, das das Substrat bildet, und daß
das Halbleitermaterial (SC 2 ) mit geringerer Breite des verbotenen
Bandes in Richtung des Ladungsträgertransports gesehen
auf das andere Halbleitermaterial (SC 1 ) folgt.
2. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Steuerleitungen
(32′, 34′) aufweist, die je mit einer von zwei Elektroden
(32, 34) verbunden sind, und daß die vom zweiten Halbleitermaterial
(SC 2 ) mit geringerer Breite des verbotenen
Bandes gebildeten Zonen (40) unter dem in Richtung des Ladungsträgertransports
gesehen stromabwärts liegenden Teil
jeder Elektrode (32, 34) angeordnet sind (Fig. 4).
3. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine einzige Steuerleitung (16)
aufweist und daß die vom zweiten Halbleitermaterial (SC 2 ) mit
geringerer Breite des verbotenen Bandes gebildeten Zonen (20, 22)
unter dem in Richtung des Ladungsträgertransports gesehen
stromabwärts liegenden Teil der Elektroden (14) und unter
dem in Richtung des Ladungsträgertransports gesehen stromabwärts
liegenden Bereich eines Zwischenraumes zwischen den
Elektroden (14) angeordnet sind (Fig. 3).
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