1. IL DIODO

1. IL DIODO
1. Introduzione
Il diodo è un componente elettronico passivo non lineare a due terminali (bipolo), la cui
funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in una direzione e di
bloccarla nell'altra, la qual cosa viene realizzata ponendo dei vincoli alla libertà di
movimento e di direzione dei portatori di carica.
La fig.1 rappresenta una giunzione e lo schema elettrico relativo.
p
n
anodo
catodo
DIODO
Fig. 1 Rappresentazione del Diodo
Il simbolo circuitale del diodo esprime chiaramente questa funzione: il triangolo indica la
direzione che permette il flusso di corrente elettrica considerato convenzionalmente
positivo (dal polo negativo a quello positivo), mentre la sbarra ne indica il blocco.
Il materiale base dei diodi è Silicio, Germanio ed Arsenuro di Gallio. Questi atomi
hanno 4 elettroni nell’orbita più esterna e cristallizzando si dispongono in una
struttura tetraedrica. Questa struttura è tale che ogni atomo componente il cristallo
“vede” altri quattro atomi e ciascuno di questi condividendo un elettrone si
comportano come se avessero nell’ultima orbita un ottetto di elettroni. Il cristallo si
dice allora intrinseco ed è un materiale isolante, cioè anche per tensioni applicate al
cristallo elevate, non si ha passaggio di corrente apprezzabile. Per esempio se si
dispone di un cristallo lungo 4 mm con base quadrata di 0.1 mm2 per avere una
corrente di 1µA è necessario applicare una tensione di un migliaio di volt e questa
corrente è dovuta alla rottura dei legami covalenti per agitazione termica. L’energia
necessaria per rompere un legame covalente, cioè per avere un elettrone libero, è di
1.1 eV per il silicio.
Inserendo nel cristallo piccole quantità di atomi aventi 5 elettroni nell’ultima orbita
(una parte per milione), è disponibile un elettrone in più per chiudere l’ottetto e questo
con l’energia termica sarà quasi libero muoversi nel cristallo. Una piccola tensione
(decine di mV ) o un’energia di 0.05 eV sono sufficienti per avere un passaggio di
corrente elettrica. Il materiale è diventato un semiconduttore.
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Analogamente se il cristallo è drogato con atomi aventi 3 elettroni nell’ultima orbita si
avrà una mancanza di un elettrone per completare l’ottetto cioè si avrà una lacuna o
buco di carica che si sposta nel cristallo. Un cristallo di silicio e germanio drogato con
atomi pentavalenti è chiamato semiconduttore di tipo n, mentre se drogato con atomi
trivalenti è di tipo p.
Un diodo è “idealmente “ costituito da un cristallo di tipo p ed uno di tipo n uniti
assieme a formare una giunzione. Da ricordare che il processo costruttivo di una
giunzione non è quello di unire due cristalli già drogati. I due cristalli n e p sono
elettricamente neutri, ma formando la giunzione gli elettroni in eccesso dovuto agli
atomi pentavalenti diffondono nel cristallo p e le lacune o buchi diffondono da p ad n.
Questo processo rapidissimo si ferma quando si crea fra due cristalli un campo
elettrico da opporsi ad un ulteriore diffusione. Si è stabilita cioè una differenza di
potenziale fra i due cristalli. Questa tensione però non deve trarre in inganno: la
giunzione non è diventata un generatore, andrebbe contro alle leggi della
termodinamica. Infatti se fosse possibile utilizzare un diodo come generatore, sarebbe
necessario collegare fili elettrici ai cristalli n e p, costruendo quindi altre due
giunzioni: metallo – cristallo p e metallo – cristallo n che generano altre differenze
di potenziale che annullano gli effetti della giunzione n - p. Invece non va contro i
principi termodinamici se i due cristalli, tipo n e p si trovano a temperature diverse. In
questo caso il diodo funziona da generatore (effetto Seebek) e il fenomeno è
reversibile: facendo passare corrente nella giunzione una parte si riscalda e l’altra di
raffredda (effetto Peltier).
Da questa struttura iniziale si sono evoluti nel tempo sia componenti con struttura più
complessa basati su un principio differente, come i diodi a tempo di transito, sia nuovi
dispositivi a tre terminali, come gli SCR e i Triac, che hanno abbandonato il nome di
"diodo".
2
2. Il diodo ideale
Caratteristiche del diodo ideale:
I D > 0 → VD = 0
VD < 0 → I D = 0
Fig. 2 Caratteristica tensione corrente del diodo ideale
La caratteristica tensione-corrente di un diodo ideale potrebbe essere approssimata con
quella di un dispositivo resistivo lineare a tratti, operante in due regioni distinte e
separate. In una di queste regioni, al di sotto di una data differenza di potenziale tra i due
terminali, il diodo ideale può essere pensato come una sorta di circuito aperto, o meglio
ancora come un resistore dotato di resistenza elettrica infinita, mentre al di sopra di
questa il diodo ideale inizierà a permettere il flusso della corrente elettrica, e potrà essere
considerato come una sorta di cortocircuito, quindi come un resistore dotato di resistenza
nulla.
Fig. 3 Confronto caratteristica diodo ideale con approssimazione lineare
3
La figura a lato mostra a confronto le caratteristiche di un diodo ideale ipoteticamente
realizzato tramite un dispositivo a semiconduttore, chiamato diodo a giunzione, a sinistra
ed
una
sua
approssimazione
lineare
a
tratti
a
destra.
Quando la differenza di potenziale ai capi del diodo ideale è maggiore di 0 (cioè quando
la corrente elettrica fluisce nel verso convenzionalmente positivo, dal polo positivo a
quello negativo), questo è detto essere polarizzato in diretta, mentre quando la
differenza di potenziale è minore di 0, questo è detto essere polarizzato in inversa.
Questa nomenclatura viene utilizzata anche per i diodi reali.
2.1 Giunzione p-n
La giunzione p-n è il dispositivo formato da due semiconduttori drogati uno di tipo-p ed
uno di tipo-n, messi in contatto tra di loro. Nei meccanismi di conduzione della corrente, i
portatori liberi tendono a spostarsi dalle zone a concentrazione maggiore verso le zone a
concentrazione minore, dando origine alla corrente di diffusione. Supponiamo allora di
avere un cristallo di silicio di tipo n tale che la concentrazione di drogante donatore non è
uniforme, ma varia lungo una certa direzione x, come mostra la figura
Fig. 4 Drogaggio non uniforme
Con ND la concentrazione degli ioni donatori non compensati. Per diffusione, gli elettroni
tendono a spostarsi da sinistra a destra. Ciò, però, lascia scoperti gli ioni donori positivi,
provocando la comparsa di un campo elettrico E, diretto da destra verso sinistra, che
impedisce l’ulteriore migrazione dei portatori liberi, il che avviene quando la tendenza
degli elettroni a spostarsi per diffusione verso sinistra viene equilibrata da un’identica
tendenza a spostarsi per deriva nella direzione opposta a quella del campo elettrico.
4
Questa situazione di equilibrio tra diffusione e deriva dei portatori liberi si verifica anche
nel caso in cui vengono posti in contatto un cristallo di silicio di tipo n e uno di tipo p.
Tale struttura prende il nome di giunzione pn, e rappresenta il più semplice esempio di
dispositivo elettronico allo stato solido.
Fig. 5 Giunzione pn e tendenza alla diffusione dei portatori maggioritari
Come si indica in figura, gli elettroni tendono a passare nella regione in cui essi sono
minoritari, per diffusione, cosi come le lacune si spostano verso la regione di tipo n, per
lo stesso fenomeno. Questa migrazione di portatori liberi lascia scoperta una certa
quantità di ioni positivi donori nella regione n e altrettanti ioni negativi accettori nella
regione p, come visualizzato in figura
Fig. 6 Giunzione pn all’equilibrio e formazione della regione di carica spaziale
La regione a ridosso della giunzione, ormai svuotata di portatori liberi, si chiama appunto
regione di svuotamento o regione di carica spaziale. All’equilibrio, la sua estensione
nelle due regioni di semiconduttore drogate in modo diverso dipende dai relativi livelli di
drogaggio ND e NA. Infatti, affinché sia assicurata la neutralità elettrica dell’intera
struttura (la carica totale netta contenuta deve essere nulla), la regione di carica spaziale
si estenderà di più nella regione di semiconduttore caratterizzata da concentrazione
inferiore di drogante.
5
All’interno della regione di carica spaziale esiste ovviamente un campo elettrico E, a
causa della presenza di cariche fisse. Tale campo elettrico si oppone alla diffusione dei
portatori liberi, per cui si raggiunge un equilibrio tra diffusione e deriva dei portatori
stessi.
Esiste quindi anche una differenza di potenziale che si localizza ai capi della struttura. Se
però chiudiamo un circuito elettrico con un conduttore, come indicato in figura
Fig. 7 Giunzione pn cortocircuitata
.
2.2 Diodo a giunzione p-n
La giunzione pn è in pratica un diodo allo stato solido. Si tratta di un elemento a due
terminali ed il suo simbolo circuitale è il seguente:
Fig. 8 Diodo a giunzione: simbolo circuitale e convenzioni di segno
Il catodo corrisponde alla regione di tipo n, l’anodo corrisponde alla zona drogata di tipo
p.
I diodi a giunzione p-n sono realizzati con cristalli di silicio e la loro caratteristica
tensione corrente è approssimabile tramite l'equazione del diodo ideale di Shockley. Essi
vengono costruiti per presentare una perdita di potenziale pari a circa 0,7 V a temperatura
ambiente quando polarizzati in diretta, per cui viene detto che la loro tensione di lavoro è
pari appunto a 0,7 V. Grazie alla forma della curva tensione-corrente (I-V), a piccole
variazioni della tensione ai capi del dispositivo oltre la tensione di soglia corrispondono
grandi variazioni della corrente elettrica di lavoro. Questo significa che il diodo permette
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di mantenere la tensione ai suoi capi approssimativamente costante al variare della
corrente che lo attraversa. E' necessario limitare la corrente condotta da un diodo affinché
non superi mai la massima corrente prevista per quello specifico diodo, oltre la quale può
verificarsi la rottura del dispositivo
I diodi a giunzione p-n reali hanno una caratteristica tensione corrente analoga a quella
ideale, con alcune differenze: quando polarizzati inversamente, invece di impedire
completamente il passaggio di corrente presentano una piccolissima corrente di perdita,
in genere dell'ordine del miliardesimo di Ampere, che rimane costante con l'aumentare
della tensione inversa fino ad un certo valore (detto tensione di Zener Vzk, che può
andare da alcuni volt ad alcune decine di volt), oltre il quale tale corrente aumenta molto
rapidamente: tale regime di funzionamento, detto regime di valanga o di breakdown per
il modo di generazione degli elettroni di conduzione all'interno del diodo, non è dannoso
per il componente finché la potenza dissipata rimane nei limiti tollerati: i diodi Zener per
esempio sono progettati espressamente per funzionare in regime di valanga. Tuttavia,
vista la caratteristica molto ripida, il funzionamento in valanga nei normali diodi è molto
pericoloso
e
porta
in
genere
alla
rottura
del
componente.
La tensione di lavoro dei diodi non è sempre pari a circa 0,7 V a temperatura ambiente,
come nella maggior parte dei diodi a giunzione p-n, ma può variare dai 0,2 V del diodo
Schottky o dei vecchi diodi al germanio, agli 0,5 V dei diodi ad arsero di gallio ai 4 V
dei diodi LED azzurri.
2.3 Giunzione pn in polarizzazione inversa
Quando la tensione ai capi della giunzione pn è negativa, secondo la convenzione definita
in fig. 8, allora si dice che la giunzione è polarizzata inversamente. In pratica, quindi, si
ha polarizzazione inversa se VD < 0, come mostrato di seguito
Fig. 9 Diodo polarizzato inversamente
A causa della polarizzazione imposta alla struttura, gli elettroni vicini al bordo della
regione di carica spaziale nella regione di tipo n tendono a spostarsi verso l’esterno della
struttura, lasciando quindi scoperti ulteriori ioni donori fissi. Anche le lacune vicine al
bordo della regione di svuotamento nella zona drogata di tipo p tendono ad allontanarsi
dalla giunzione, per cui altri ioni fissi accettori restano scoperti. L’effetto risultante è un
allargamento della regione di carica spaziale, come viene illustrato di seguito:
7
Fig. 10 Polarizzazione inversa: allargamento della regione di carica spaziale
La corrente nella struttura è molto debole, in quanto le cariche libere disponibili per la
conduzione sono solo i portatori minoritari nelle rispettive regioni, in concentrazione
estremamente limitata. Tali portatori generano quindi una piccolissima corrente inversa
Is, che scorre dal catodo verso l’anodo (vedi fig. 10) e risulta quasi indipendente dalla
tensione inversa applicata. I valori tipici di Is dipendono molto dall’area e dai livelli di
drogaggio del diodo e possono andare da 10-10 a 10-16 [A].
Poiché la concentrazione di portatori minoritari aumenta con la temperatura, la corrente
Is, detta anche corrente di saturazione inversa del diodo, aumenta con la temperatura.
2.3.1 Il fenomeno del breakdown
Se si aumenta la tensione inversa applicata al diodo, in corrispondenza di un certo valore
si verifica il fenomeno del breakdown del diodo, che consiste in un aumento
notevolissimo della corrente inversa che scorre nel diodo rispetto al valore Is della
corrente di saturazione inversa, come illustrato in fig. 11. Tale valore di tensione V viene
detto appunto tensione di breakdown del diodo.
Fig. 11 Breakdown di una giunzione pn polarizzata in inversa
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La Fig. 11 in realtà non rispetta fedelmente gli ordini di grandezza delle correnti in gioco:
in una scala realistica la corrente di saturazione inversa Is non è visibile, in quanto
praticamente sovrapposta all’asse delle tensioni. Si noti che, nella regione di breakdown,
il diodo si comporta in pratica come un generatore di tensione, in quanto tende a
mantenere una tensione inversa costante VZ ai suoi capi per qualunque valore di corrente
inversa.
Vi sono due effetti fisici differenti che innescano il fenomeno del breakdown in un diodo.
a) L’effetto zener è dovuto all’aumento del campo elettrico nella regione di carica
spaziale, che si verifica specialmente nel caso di elevati livelli di drogaggio. Quando si
giunge alla tensione di breakdown, il campo elettrico diventa così intenso da causare la
rottura di un gran numero di legami covalenti, con la conseguente generazione di
moltissime coppie elettrone-lacuna. Ciò porta quindi a un brusco aumento delle corrente
inversa. I diodi per i quali il breakdown si verifica a causa dell’effetto zener presentano
una tensione di breakdown non superiore a 5-6V. Inoltre, per questi diodi un aumento
della temperatura provoca una diminuzione della tensione di breakdown VZ.
b) L’effetto valanga si verifica invece quando dei portatori liberi nella regione di carica
spaziale, che, come detto prima sono in numero molto limitato in condizioni normali,
acquisiscono una notevole quantità di energia cinetica. Se uno di questi portatori
interagisce con il reticolo cristallino, l’urto può provocare la generazione di una coppia di
portatori liberi, che, a loro volta, acquisendo l’energia cinetica necessaria e cedendola al
reticolo, possono crearne un’altra, innescando un processo di moltiplicazione a valanga
dei portatori liberi. Il risultato è il breakdown del diodo, cioè l’aumento repentino della
corrente inversa. I diodi per i quali il fenomeno del breakdown è associato all’effetto
valanga hanno tensioni di breakdown maggiori di 6-7 V e in questo caso il coefficiente di
temperatura di VZ è positivo, cioè la tensione di breakdown aumenta con la temperatura.
C’è da sottolineare che il breakdown di una giunzione pn non è necessariamente un
fenomeno distruttivo. Se si limita in qualche modo l’aumento di corrente inversa e si
impedisce quindi che la potenza da dissipare superi il limite tollerabile dal diodo, esso
può lavorare stabilmente in un punto operativo all’interno della regione di breakdown.
2.3.2 Effetti capacitivi associati a un diodo polarizzato inversamente
Abbiamo visto che la carica fissa contenuta nella regione di svuotamento di un diodo
polarizzato inversamente varia al variare della tensione inversa applicata VR = -VD. Esiste
quindi una funzione Qs(VR) che descrive appunto la dipendenza di tale carica Qs dalla
tensione applicata al diodo e che è fortemente non lineare, come si vede in Fig. 12.
Una variazione di tensione inversa nel tempo richiede quindi una variazione della
quantità di carica QS nel tempo, che causa un transitorio nella corrente inversa, necessario
per fornire la differenza di carica richiesta.
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Fig. 12 Carica nella regione di svuotamento in funzione della tensione inversa VR = -VD
In definitiva si ha un effetto capacitivo, che però è di tipo non lineare, in quanto la
caratteristica carica-tensione Qs(VR) non è una retta passante per l’origine.
Fig. 13 Capacità di transizione CT
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Se però il diodo viene fatto lavorare in un certo punto di lavoro Q, sempre in
polarizzazione inversa, e si considerano spostamenti abbastanza piccoli intorno al punto
di lavoro, la caratteristica Qs(VD) può essere linearizzata intorno a tale punto, cioè la
caratteristica non lineare può essere confusa con la sua tangente nel punto di lavoro. Di
conseguenza si può definire una capacità di piccolo segnale del diodo polarizzato in
inversa, come derivata della funzione Qs(VR) rispetto a VR, calcolata nel punto di lavoro
Q, come illustrato dalla Fig. 13.
Tale capacità prende il nome di capacità di transizione:
CT =
dQS
dVR
Q
2.4 La giunzione pn in polarizzazione diretta
Quando la tensione ai capi della giunzione pn è positiva, secondo le convenzioni di segno
che abbiamo scelto (fig. 8), si dice che il diodo è polarizzato direttamente . Quindi un
diodo è polarizzato direttamente se VD>0, come in fig. 14.
Fig. 14 Diodo polarizzato direttamente
In questo caso, rispetto alla condizione di equilibrio, corrispondente a VD = 0,
l’estensione della regione di carica spaziale diminuisce , in quanto la polarizzazione
applicata tende a favorire il passaggio dei portatori liberi dalla regione in cui sono
maggioritari, verso quella in cui sono minoritari. Di conseguenza gli ioni vicini al bordo
della regione di carica spaziale possono riacquistare la carica che avevano perduto e
diventano atomi neutri, per cui la regione di carica spaziale si restringe. Ciò implica che
la differenza di potenziale ai capi della regione di svuotamento, che all’equilibrio (VD =
0) impediva la migrazione libera dei portatori maggioritari, si riduce notevolmente e
quindi non è più in grado di controbilanciare la tendenza alla diffusione dei portatori
maggioritari stessi. Il risultato è che si produce un flusso di elettroni che si spostano per
diffusione dalla regione di tipo n a quella di tipo p e un flusso di lacune che si spostano
nel verso opposto, dando luogo a due contributi di corrente nello stesso verso, che è
quello definito positivo dalla nostra convenzione.
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Il fenomeno è illustrato nella seguente Fig. 15.
Fig. 15 Polarizzazione diretta: riduzione della regione di carica spaziale e corrente
diretta
2.4.1 Effetti capacitivi associati a un diodo polarizzato direttamente
Anche nel caso di giunzione polarizzata direttamente si hanno degli effetti capacitivi,
associati questa vota all’accumulo dei portatori liberi iniettati dalla regione in cui sono
maggioritari a quella in cui sono minoritari. In altre parole, in corrispondenza di un certo
valore di tensione diretta V, nelle regioni esterne alla regione di svuotamento (dette
regioni quasi neutre) si è in presenza di un eccesso di cariche minoritarie QD(VD),che varia
al variare della polarizzazione, anche qui in modo non lineare. Si può quindi definire,
anche in questo caso, una capacità di piccolo segnale associata al diodo polarizzato in
diretta come la derivata della carica QD in funzione di VD, calcolata nel punto di lavoro:
CD =
dQD
dVD
Q
Questa capacità viene denominata capacità di diffusione e tipicamente è di circa un
ordine di grandezza maggiore rispetto alla capacità di transizione.
2.4.2 Effetti della variazione della temperatura sulla caratteristica del diodo
in diretta
Considerando l’equazione
I
D
= I
S
e
V D
ηVT
che esprime la caratteristica di un diodo in diretta, si possono riconoscere due effetti
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contrapposti della variazione della temperatura. Come sappiamo, la corrente di
saturazione inversa IS aumenta con la temperatura, per cui ID tende ad aumentare con essa.
Anche la tensione termica VT aumenta con la temperatura, provocando una tendenza alla
diminuzione di ID con T. L’effetto netto risultante di un aumento della temperatura è un
aumento della corrente ID, che si può quantificare come segue. Polarizzando il diodo a
corrente costante , un incremento di un grado della temperatura assoluta corrisponde a
una diminuzione di 2mV della tensione V ai capi del diodo, come illustrato in fig. 16
Fig. 16 Dipendenza della caratteristica del diodo in diretta dalla temperatura
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3. Il diodo reale
La legge che governa la relazione tensione-corrente nel diodo reale e data dall’equazione
di Shockley:
 VD ηVT 
I D = I S  e
− 1


(1)
Is è la corrente di saturazione inversa. Questa dipende dal materiale e dalle caratteristiche
del diodo. Tipicamente è compresa nell’intervallo da 1 uA ed 1 fA .
kT
VT =
= 26mV è una costante chiamata potenziale termico (a temperatura ambiente).
e
η è il coefficiente di idealità del diodo, tipicamente compreso tra 1-2. Dai dati
sperimentali si può ricavare η che per diodi al silicio vale circa 2, per poi diminuire ad
alte correnti di conduzione del diodo.
Fig. 17 Caratteristica tensione corrente del diodo reale
Bisogna inoltre tener conto della resistenza parassita dovuta ai contatti ohmici sul diodo,
collegamenti ed alla struttura del diodo.
In pratica, la relazione (1) prevede un aumento esponenziale della corrente ID.
Questo non avviene in realtà, a causa della resistenza serie la corrente aumenta
linearmente con la tensione applicata al diodo. Quando si applica una tensione negativa ai
capi del diodo reale, la corrente non è nulla. Si parla dunque di correnti di perdita
(leakage). La tensione inversa non può essere aumentata a piacere. In pratica,
all’aumentare della tensione inversa si raggiunge la tensione di rottura (breakdown) oltre
la quale fenomeni di ionizzazione da impatto provocano la rottura del dispositivo. Nella
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polarizzazione inversa assume notevole importanza la Vbr (tensione di breakdown),
infatti per valori di tensione maggiori in valore assoluto della Vbr, il diodo si trova a
lavorare con una tensione in grado di rompere i legami dei suoi atomi. In questa
situazione si genera un numero elevato di elettroni (effetto a valanga) con generazione di
un’elevata corrente che porta alla distruzione del diodo stesso.
4. Analisi transitorio di commutazione nei diodi
Un diodo reale ha bisogno di un certo lasso di tempo per commutare dallo stato off alla
stato on e viceversa. Sia i tempi necessari per la transizione che le forme d’onda
dipendono dalle caratteristiche del diodo e del circuito in cui il diodo è utilizzato. I
parametri d’interesse di un diodo vengono spesso riportati in funzione della velocità di
variazione della corrente (di/dt) come riportato nella figura
Fig. 18 Transizione del diodo da uno stato ad un altro
Il motivo è essenzialmente dovuto al fatto che i diodi vengono spesso utilizzati in circuiti
che contengono induttori (che controllano la velocità di variazione della corrente), o in
circuiti dove la variazione di corrente viene controllata da dispositivi allo stato solido.
Quindi il parametro di/dt tipicamente è correlato alla natura del circuito, e conoscendo
di/dt è possibile stimare le forme d’onda di tensione e corrente di un diodo durante le
commutazioni on-off, off-on.
Analizziamo dapprima la fase di accensione del diodo. Partendo polarizzato in inversa,
inizialmente la tensione sale per il fatto che si devono immagazzinare i portatori di carica
che serviranno per mantenere la corrente diretta IF. Questo transitorio (t1) può essere
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