KR0141600B1 - 집적 회로형 반도체 소자 - Google Patents

집적 회로형 반도체 소자

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KR0141600B1
KR0141600B1 KR1019890018767A KR890018767A KR0141600B1 KR 0141600 B1 KR0141600 B1 KR 0141600B1 KR 1019890018767 A KR1019890018767 A KR 1019890018767A KR 890018767 A KR890018767 A KR 890018767A KR 0141600 B1 KR0141600 B1 KR 0141600B1
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리분 윙 스티븐
무케르제 사티엔드라나쓰
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에프.제이.스미트
필립스 일렉트로닉스엔.브이
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Abstract

내용없음

Description

잡적 회로형 반도체 소자
제1도는 유도성 부하에 접속된 MOS 소자를 포함하는 종래의 고측 스위치 장치의 개략도.
제2도는 MOS 소자와 그의 관련 전원 사이에 차단이 발생했을 때 앞서 공지된 제1도 장치를 도시한 도면.
제3도는 본 발명의 원리에 따라 이루어진 특정 보호 회로의 한 예를 포함하도록 수정된 제1도 장치의 개략도.
제4도는 MOS 소자와 그의 관련 전원 사이에 차단이 발생했을 때 본 발명의 원리에 따른 제3도 장치를 도시한 도면.
제5a도 및 제5b도는 각각 특정 집적 회로 칩의 한 예로 구현된 제3도 및 제4도에 도시된 본 발명의 원리에 따른 장치의 일부에 대한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10, 11 : 스위치 단자12: 제어 단자
16 : 유도성 부하28 : 제너 다이오드
30 : 저항기32 : 캐피시터
본 발명은 집적 회로의 보호에 관한 것으로, 특히, 파워 집적 회로 소자에 접속된 부하에서의 전압 서지(voltage surges)의 발생으로 인한 손상으로부터 상기 파워 집적 회로 소자를 보호하는 것에 관한 것이다.
파워 집적 회로(PIC) 소자(스마트-파워 소자라고도 함)가 매우 다양한 산업 응용에 사용된다. 이러한 응용에 있어서, PIC 소자는 전원을 그의 관련 부하에 접속시키는 소위 고측(high-side)스위치로 사용된다. 실제로 중요한 많은 경우에 있어서, 상기 부하는 전원내의 분열 또는 이와 비슷한 기타 다른 오동작이 비교적 큰 전압 서지가 부하 양단에서 나타나게 한다는 특성을 갖고 있다. 상기 서지의 크기는 종종 상기 PIC 소자에 치명적인 손상을 입혀 그의 본래 기능을 실행하기에 부적당하게 하기에 충분하다.
따라서, 부하 전압 서지에 대해 PIC 소자를 보호하기 위한 간단하면서도 신뢰할만한 장치를 고안해 내는 것을 목적으로 하여 본 기술에 숙련된 기술자들이 지속적인 노력을 해오고 있다. 이러한 노력이, 성공적일 경우, 신뢰할만한 영구 동작이 요구되는 중요한 산업 응용에 있어서 본 소자가 보다 유익하게 사용되게 한다는 사실이 인지되었다.
본 발명의 원리에 따라, 특히 반도체 스위치 내에 PIC 소자를 포함하는 한 소자는 거기에 접속되어 있는 부하 소자내에서 발생하는 전압 서지에 대해 보호된다. 이것은 스위치와 그의 관련 전원 사이에 차단 내지 중지가 발생할 경우에만 작동되는 교번 회로 경로를 제공하므로써 이루어진다. 상기 교번 회로 경로는 상기 부하 소자 양단에 발생되는 전압 서지에 응답하여 상기 부하 소자에 전류를 공급하는 수단을 구비하는데, 이 전류 공급 수단은 기준 전위점과 상기 부하 소자의 한 단자 사이에 접속되고, 상기 부하 소자의 다른 한 단자는 상기 기준 전위점에 접속된다. 상기 교번 경로는 상기 스위치와 상기 전원 사이에 연장되는 경로와 독립적이며 그와 분리되어 있다. 작동시, 상기 교번 경로는 서지가 존재하는 동안 상기 부하에 없어서는 않될 전류를 공급한다. 게다가, PIC 소자의 임계부 양단에 나타날 수 있는 전압값을 제한하기 위해 보호 소자 및 제한 저항기가 상기 부하 및 PIC 소자에 접속될 수 있다.
본 발명의 특별한 예의 한 실시예에 있어서, 보호될 PIC 소자는 금속-산화물-반도체(MOS) 장치로 구성되고, 상기 부하는 접지와 같은 기준 전위점과 상기 MOS 소자의 소스 단자 사이에 접속된 인덕터를 구비한다. 전원은 MOS 소자의 드레인 단자에 접속된다. 상기 실시예에 있어서, 교류-전달 회로 경로는 베이스가 상기 MOS 소자의 드레인 단자에 접속되고, 에미터가 상기 기준 전위점에 접속되며, 콜렉터가 상기 MOS 소자의 소스단자에 접속되는 바이폴라 트랜지스터를 구비한다. 상기 보호 소자는 상기 MOS 소자의 게이트 및 소스 단자 사이에 접속된 제너 다이오드를 구비하며, 상기 제한 저항기는 게이트 단자와 입력 다이오드 사이에 접속된다.
본 발명의 앞서 기술된 실시예에 있어서, 부하를 제외한 공지된 모든 소자는 양호하게도 단일 집적 회로 칩으로 제조된다. 상기 특별한 실시예에 있어서, MOS 소자의 소스와 드레인 단자 사이에 본래 전형적으로 존재하는 기생 용량은, 인덕터 양단에 잠정적으로 손상을 입히는 전압 서지가 발생할 때, 바이폴라 트랜지스터를 구비하는 교번-회로 경로의 빠른 턴-온(turn-on)을 실행하는데 유효하다. 동시에, 제너 다이오드 및 제한 저항기는 상기 MOS 소자의 게이트-소스 전압을 상기 소자의 게이트 산화물의 항복 전압 이하로 제한하는데 유효한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원 명세서를 보다 상세히 설명하겠다.
제1도는 본 발명의 원리가 적용되는 형태의 종래 공지된 장치의 일예를 도시한다. 이 장치는 스위치 단자(10,11) 및 제어 단자(12)를 포함하는 MOS 트랜지스터를 구비한다. 상부 스위치 단자(10)는 전원(14)에 접속되는 반면, 하부 스위치 단자(11)는, 예컨대, 인덕터(16)를 포함하는 부하에 접속된다. 게다가, 본 장치는 Vo로 표식된 출력 단자(18)를 포함하고 있다.
제1도에 도시된 제어 단자(12)는 입력 단자(20)에 접속된다. PIC 스위치의 온-오프 상태를 제어하기 위하여, 종래의 관련 구동 회로(도시안됨)로부터 단자(20)로 신호가 인가된다. 다이오드(22)는, 예컨대, 상기 관련 구동 회로의 일부를 구성하고 있다.
특정한 예를 제공할 목적으로 제1도에 도시된 PIC 스위치는 종래 MOS 소자를 구비하는 것으로 간주될 것이다. 이런 경우, 스위치 단자(10 및 11)는 상기 소자의 드레인 및 소스 단자를 구성하며, 제어 단자(12)는 게이트 단자를 구성한다. MOS 소자가 온 상태로 제어될 때, Io로 표시된 전류는 화살표(23)로 표시된 바와 같이, 소스(14)로부터, MOS 소자의 드레인-소스 경로 및 부하(16)를 통해 흐른다.
사실상, 제1도에 도시된 형태의 장치는 다양한 산업 응용에 사용된다. 이런한 응용에 있어서, 기술된 장치는 자동 제어 시스템에 사용되는 전자적으로 제어되는 스위치를 구성한다. 상기 경우에 있어서, 상기 유동성 부하(16)는, 예컨대, 자동 제어 시스템내에 포함된 솔레노이드로 구성되고, 전원(14)은 상기 자동 제어 시스템의 직류 바테리로 구성된다.
예컨대, 제1도에 도시된 종래 장치의 동작 동안, 전원(14)이 우연히 MOS 소자의 드레인 단자(10)로부터 차단된다고 가정하자. 이러한 발생 또는 소스(14)와 단자(10) 사이의 라인내 차단은 개방 스위치(14)로 제2도에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 발생에 응답하여, 과도한 전압 서지가 유도성 부하(16) 양단에서 발생한다. 이 서지의 특성은 출력 단자(18)(그에 따른 소스 단자(11)가, 제2도에 표시된 바와 같이, 접지에 대해 네가티브로 된다는 것이다. 상기 전압의 극성은 인덕터(16)를 통한 전류의 흐름을 유지하려는 경향이 있다. 사실상, 상기 서지의 크기는 게이트 단자(12)와 소스단자(11) 사이의 전압이 서술된 상기 MOS 소자의 게이트-산화물의 항복 전압을 초과하는 전압을 설정하기에 충분할 수 있다.
이러한 게이트 산화물의 항복 또는 본 소자내 접합에서의 손상과 같은 본 소자에 대한 서지 유발성 손상은, 전형적으로 본 소자가 소기의 자체 스위칭 기능을 실행하기에 부적당하게 만든다.
본 발명의 원리에 따라, 제1도 및 제2도에 도시된 형태의 PIC 스위칭 장치는 부하 전압 서지에 대해 신뢰할만한 보호부를 포함하도록 간단한 방식으로 변형된다. 이와 같이 특별히 변형된 소자의 예가 제3도에 개략적으로 도시되어 있다. 제1도 및 제2도 소자에 일치하는 제3도의 소자는 각기 동일한 참조 번호로 표시되어 있다.
제3도의 본 발명에 따른 특정 예의 실시예에 있어서, 상부 스위치 단자(10)와 전원(14) 사이의 접속부가 차단될 경우 부하(16)를 통해 전류를 전달하기 위한 교번 경로가 제공된다. 이러한 전류 경로를 제공함으로써, 부하 양단에 나타나는 전압 서지의 크기는 전류가 다른 소스로부터 부하에 공급되지 않을 때의 전압 서지 크기에 대해 감소된다.
실예를 통해, 제3도에 도시된 교류-전달 경로는 바이폴라 트랜지스터(26)를 구비한다. 제3도에 도시된 특정예의 실시예에 있어서, 상기 트랜지스터(26)는 에미터가 접지에 접속되어 있고, 베이스가 상부 스위치 단자(10) 및 그에 따른 소스(14)에 접속되어 있으며, 콜렉터가 하부 스위치 단자(11) 및 그에 따른 부하(16)에 접속되어 있는 p-n-p 소자이다.
정상 동작 동안, 제3도에 도시된 p-n-p트랜지스터(26)의 베이스-에미터 접합은 소스(14)에 의해 역-바이어스 된다. 따라서, 상기 트랜지스터(26)는 정상적으로 오프(OFF)상태 또는 비도전 상태를 유지하고, 교류-전달 경로를 가진 상기 변형된 장치는 제1도 및 제2도의 종래의 변형되지 않은 장치와 아주 동일한 방법으로 동작한다.
본 발명의 다른 원리에 따라, 제3도의 장치는 또한 하부 스위치 단자(11)와 제어단자(12) 사이에 나타날 수 있는 전압을 제한하는 회로를 포함한다. 도시된 바와 같이 상기 회로는 표준 제너 다이오드(28) 및 저항기(30)를 구비한다. 상기 다이오드(28)의 항복 전압의 값은, 하부 스위치 단자(11)와 제어 단자(12) 사이에 인가되었을 경우, PIC 소자에 손상을 유발할 수 있는 전압값 보다 작게 선택된다. 상기 PIC 소자가 MOS 소자를 구비하는 특별한 경우에 있어서, 상기 다이오드(28)의 항복 전압값은 상기 소자의 소스(하부 스위치 단자(11))와 게이트(제어 단자(12))사이의 산화물의 항복을 유발하는 전압보다 작게 선택된다.
제3도 장치의 정상 동작 동안, 제너 다이오드(28)는 비도전되고 상기 제한 저항기(30)를 통해 조금의 직류도 흐르지 않는다. 따라서, 전압 제한 회로를 가진 상기 변형된 장치는 제1도 및 제2도의 변형안된 표준 장치와 아주 동일한 방법으로 동작한다.
도시된 바와 같이, 제3도에 도시된 보호 회로는 한 개의 추가 소자, 즉 캐패시터(32)를 포함한다. 상기 캐패시터(32)는 불량 상태가 발생한 경우, 상기 바이폴라 트랜지스터(26)의 빠른 턴-온을 촉진시키는 기능을 한다. 본 발명의 몇몇 실시예에 있어서, 상기 캐패시터(32)는 PIC 소자 구조내에 본래 존재하는 기생 소자를 구비한다. 이러한 소자가 존재하지 않을 경우, 본소자는 의도적으로 상기와 같은 캐패시터를 포함하도록 제조될 수 있다.
이제 제3도 소자에 불량 상태가 발생한다고 가정하자. 특히, 드레인 또는 상부 스위치 단자(10)와 전원(14)사이 접속에 차단이 발생한다고 가정하자. 이러한 상태는 개방 스위치(33)로 제4도에 도시되어 있다.
상기에서 가정한 불량 상태가 발생하였을 때, 제4도에 도시된 PIC 소자의 드레인-소스 경로를 통한 전류의 흐름이 정지한다. 동시에, 네가티브 전압-서지가 인덕터(16) 양단에 나타난다. 상기 네가티브 전압은 단자(10)와 단자(11)(스위치가 온되었을 경우)사이의 MOS 트랜지스터 채널 및/또는 캐패시터(32)에 의해 상기 트랜지스터(26)의 베이스에 결합된다. 이에 대한 응답으로, 상기 트랜지스터(26)의 베이스-에미터 접합은 순바이어스로 되고, 따라서 트랜지스터(26)가 활성화(용량성으로)된다. 결과적으로, 전류는 접지로부터, 상기 트랜지스터(26)의 에미터-콜렉터 및 인덕터(16)를 통해 접지로 흐른다. 이 전류 흐름은 상기에서 가정된 전압 서지의 발생동안 부하에 전류를 공급하는 교번 경로를 구성한다.
동시에, 제4도에 도시된 상기 제너 다이오드(28) 및 저항기(30)는 소스 또는 하부 스위치 단자(11)와 게이트 단자(12) 사이에 나타나는 부하(16) 양단의 전압 서지부가 상기 기술된 PIC 소자의 게이트-산화물 항복 전압을 초과하지 않도록 보장한다.
상기에서 가정된 유형의 부하 전압 서지에 응답하여, 제4도의 전류는 화살표(34)의 방향, 즉 접지로부터, 다이오드(22), 저항기(30), 제너 다이오드(28) 및 부하(16)를 통해 접지로 흐른다. 부하 전압 서지의 특성 부분이 제너 다이오드(28) 양단에 나타난다. 상기에서 지적된 바와 같이, 이 특정 부분은 PIC 소자에 어떠한 손상도 발생하지 않도록 충분히 작게 설계된다. 나머지 서지 전압은 제한 저항기(30)(또한 다이오드(22) 양단) 양단에서 강하된다. 상기 저항기(30)의 값은 제너 다이오드(28)가 상기 PIC 소자의 게이트-산화물 항복 전압 이하에 게이트-소스 전압을 유지하도록 선택된다. 사실상, 상기 저항기(30)의 값은 전형적으로 과도하게 높은 게이트-지연 특성을 장치에 부여할 정도로 높지는 않지만 최대 보호를 얻을 수 있을 정도로 높을 수 있다. 본 발명의 각기 다른 실시예에 있어서, 상기 제한 저항기(30)의 적절한 실제값이 쉽게 결정된다.
제5a도는 본 발명의 원리에 따른 특정 실시예를 구성하고 있는 집적-회로 칩 구조의 한 부분을 도시하고 있다. 다양한 PIC 소자가 제3도에 개략적으로 도시된 스위칭 소자로 사용하기에 유효할지라도, 제5a도에 도시된 특정 구조의 실시예는 소위트렌치 MOS 소자를 구비한다. 간단한 도시를 위해 앞서 특정 다이오드(22) 및 저항기(30)가 상기 집적-회로 구조로부터 분리되게 제5a도에 개략적으로 도시되었을지라도, 이들 콤포넌트는 원할 경우 동일한 칩 구조내에 쉽게 포함될 수 있음이 분명한다.
제5a도에 도시된 구조는, 예컨대, 전원(14)이 접속되어 있는 n+-형 층(40)을 가진 n--형 실리콘 영역(38)을 포함한다. 사실상, 각기 동일한 다수의 MOS 소자는 양호하게도 상기 구조내에 형성되며, 기술적으로 공지된 바와 같이, 필수 파워-처리 능력을 가진 PIC 소자를 형성하도록 병렬로 상호 연결되어 있다. 제5a도에는 단지 하나의 MOS 소자가 도시되어 있지만 본 구조내의 갭(42)은 도시된 단일 MOS 소자가 사실상 상기 구조내에서 여러번 반복 배치될 수 있음을 시사해주고 있다.
제5a도에 도시된 MOS 소자는, 예컨대 폴리실리콘으로 된 게이트 영역(44) 및 본 소자의 게이트 산화물을 형성하는 실리콘 이산화 영역(46)으로 구성된다. 보기를 통해, 상기 영역은 Z로 표시된 방향으로 연장된 영역을 구성하고 있다.
게다가 제5a도의 소자는 그 안에 p+-형 및 n+-형 영역을 형성하고 있는 p형 영역(48,50)을 포함한다. 게다가, 접촉부(52)는 드레인 단자를, 접촉부(54,56)는 소스 단자를, 접촉부(58)는 도시된 MOS소자의 게이트 단자로 구성된다.
본 발명의 원리에 따라, 부가된 영역이 제3도 및 제4도에 도시된 p-n-p 트렌지스터(26) 및 제너 다이오드(28)를 구성하도록 제5a도 구조내에 형성된다. 보호 회로부로 구성된 부가 영역이 본 구조내에 형성되는 동시에 대응 영역이 MOS 소자 자체내에 형성되는 것이 반드시 필요하진 않지만 일반적으로 유리하다.
사실상, p+-형 및 p-형 영역(60 및 62)이 각각 트랜지스터의 에미터를 형성하도록 제5a도 n--형 영역(38)내에 형성된다. p-형 영역(48, 50)내에 앞서 존재하고 있는 n--형 영역(38) 및 p+-형 영역이 각각 트랜지스터(26)의 베이스 및 콜렉터를 구성하고 있다.
제5a도에 도시된 p+-형 및 p-형 영역(60, 62)은 MOS 소자의 전체 주변으로부터 분리되어 당해 MOS 소자의 전체 둘레를 둘러싸는 링으로 구성된다. 대안으로, 이들 영역은 단지 MOS 소자의 주변으로부터 분리된 행(row) 또는 행들을 구성한다. 양 소자 모두 사실상 부하 전압 서지가 있을 경우 적절한 전류-전달 경로를 제공하기에 충분하다.
제5a도에 있어서, p-형 영역(68)내의 n+-형 영역 및 p+-형 영역(64 및 66)은 제3도 및 제4도에 개략적으로 도시된 제너 다이오드(28)를 구성한다. 제5a도에 표시된 바와 같이, 상기 다이오드는 한 게이트 단자(58)와 소스 단자(54, 56) 사이에 접속된다.
제5a도 구조에 있어서, 제3도 및 제4도의 캐패시터(32)는 p-형 영역(48, 50)과 n--형 영역(38) 사이에 존재하는 캐패시턴스로 구성된다. 제5a도에 도시된 바와 같이, 이 캐패시터는 소스단자(54, 56)와, 앞서 지정된 p-n-p 트렌지스터의 베이스로 구성된 n--형 영역 사이에 접속된다.
제5b도는 본 발명의 원리를 구체적으로 표현하는 또 다른 특정 예의 집적-회로 칩 구조(수직 이중-확산 MOS 소자)를 도시한다. 제5b도의 많은 소자가 제5a도에 도시된 대응 소자에 일치하며, 따라서 각기 동일한 참조 번호로 표시된다.
제5b도에 있어서, 게이트 영역(44) 및 인접한 MOS 소자의 추가된 게이트 영역(45)은 상기 기술된 반도체 표면의 정상 표면으로부터 분리된 상태로 도시되어 있다. 실리콘 이산화물 영역(46 및 47)이 각각 게이트(44 및 45) 하부에 놓여 있다.
마지막으로, 상기 기술된 소자는 본 발명의 원리에 따른 양호한 예임을 이해해야 한다. 이들 본 발명의 원리에 따라, 다수의 변경 및 대안들이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고도 본 기술에 숙련된 사람들에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 예컨대, MOS 소자에 대해 특별한 주장이 있을지라도, 본 발명의 원리가 여러 집적 회로 제조 기술에 의해 만들어진 다양한 PIC 소자(MOS 또는 바이폴라)의 보호에 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 상술된 바와 같이 특별한 p-n-p 트랜지스터와 다른 구조로 구성된 불량-활성화된 전류-전달 경로를 제공하는 것과 같은 다른 대안이 또한 본 발명의 원리의 범위내에 분명하게 포함된다. 게다가, 본 발명은 인덕터와는 다른 부하가 관련된 전원에서의 차단에 응답하여 전압 서지를 유발하는 회로 장치에 적용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 집적-회로가 제공된 반도체 소자에 있어서,
    제1 및 제2 스위치 단자와 제어 단자를 가진 반도체 스위치와,
    상기 제1스위치 단자를 전원의 한 단자(전원의 다른 단자는 접지와 같은 기준 퍼텐셜의 한 점에 접속되어 있음)에 접속시키는 수단과,
    상기 제2 스위치 단자를 2-단자 부하 소자의 한 단자(이 부하 소자의 다른 단자는 상기 기준 퍼텐셜 점에 접속되어 있음)에 접속시키는 수단과,
    상기 기준 전위점과 상기 부하 소자의 한 단자 사이에 접속되어 단지 상기 부하 소자 양단에서의 전압 서지에만 응답하여 상기 부하 소자에 전류를 공급하는 수단, 및
    상기 제어 단자와 상기 제2 스위치 단자에 접속되어, 부하 전압 서지가 발생할 때, 상기 제어 단자와 상기 제2 스위치 단자 사이에 나타날 수 있는 전압을 제한하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치가 금속-산화물-반도체 소자를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치 단자는 상기 금속-산화물-반도체 소자의 드레인 및 소스 단자를 포함하고, 상기 제어 단자는 상기 금속-산화물-반도체 소자의 게이트 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류 공급 수단이,
    상기 기준 퍼텐셜 점에 접속되는 에미터 단자와, 상기 부하 소자의 상기 한 단자에 접속되는 콜렉터 단자, 및 상기 전원에 접속된 상기 소스 단자와 상기 드레인 단자중 하나에 접속되는 베이스 단자를 가진 바이폴라 트랜지스터, 및
    상기 트랜지스터의 베이스 단자와 상기 부하 소자의 상기 한 단자 사이에 접속된 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전압 제한 수단이,
    상기 부하 장치의 상기 한 단자에 접속된 상기 드레인 및 소스 단자중 한 단자와 상기 게이트 단자 사이에 접속된 제너 다이오드, 및
    상기 게이트 단자와 본 소자의 입력 단자 사이에 접속된 제한 저항기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 입력 단자와 상기 기준 퍼텐셜 점 사이에 접속된 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스위치가 트렌치 금속-산화물-반도체 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 스위치가 수직 이중-확산 금속-산화물-반도체 트렌지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
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