Kein Folientitel

Leistungsbauelemente I
(Kurs-Nr. 21645)
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Reinhart Job
1
Reinhart Job, apl. Prof. Dr. rer. nat.
Fakultät für Mathematik und Informatik
Fachgebiet Elektrotechnik und Informationstechnik
(AG Leistungsbauelemente & Sensorik)
D-58084 Hagen
Gliederung
ƒ Einleitung
ƒ Physikalische Grundlagen
ƒ pn-Übergänge
ƒ Halbleitertechnologie
ƒ pin-Dioden
ƒ Bipolare Leistungstransistoren
ƒ Thyristoren
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2
ƒ IGBT‘s
ƒ Schottky-Dioden
ƒ Leistungs-MOSFETs
Einleitung
10,000
UBr (V)
1,000
Si-Diode/-Thyristor
GTO
IGBT
Siliziumthyristor
SCR
IGBT
Siliziumdiode
Germaniumdiode
100
Selendiode
10
Kupferoxiduldiode
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1
1920
1940
1960
1980
2000
Jahr
Reinhart Job
Entwicklung von Leistungsbauelementen (z. B. Sperrfähigkeit)
3
2020
Leistungsdioden
Ungesteuerte Ventile für Leistungsgleichrichter:
Ö pin-Leistungsdioden
Ö pin-Leistungsdioden (Epi-Schicht)
Ö Schottky-Dioden (werden später
behandelt)
Abbildung:
verschiedene Bauformen von Dioden
oben:
Leistungsdiode (Kathode = Gehäuse)
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unten:
Brückengleichrichter mit
- 2 Anschlüssen für Wechselspannung,
- 2 Anschlüssen für "+" und "–" Ausgang
© Wikipedia
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Aufbau von pin-Leistungsdioden:
a) Epitaxialdiode
b) Diffundierte Diode
Oben: Schichtfolgen
Unten: Dotierprofile
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wB
wB
wB: Basisweite
Ö wB bzw. n⎯-Zone
bestimmen die
Sperrspannung
a)
b)
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Epitaxialdioden (Aufbau/Herstellung):
Ö Substrat: n+-dotiert
Ö Epitaktisch aufgewachsene n⎯-Schicht
Ö Diffundierte p-Zone
Vorteile / Nachteile:
Ö Geringe Basisweite wB (einige µm)
Ö Ohmscher Widerstand bleibt im
Durchlassbetrieb gering
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Ö Einbringung von RekombinationsZentren → schnelle Dioden
Ö Sperrspannungen nur 100 V – 600 V
(manche Hersteller: bis 1200 V)
Reinhart Job
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
6
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Prinzipieller Aufbau einer Leistungsdiode (pin-Struktur):
→ Schichtfolge: p+, p, n⎯ (i), n+ (A: Anode, K: Kathode)
→ Substratmaterial: Silizium (Si)
Metallisierung
A
p+
p
A
Oxid (SiO2)
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K
n+
K
Metallisierung
© V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Dotierprofil der pin-Leistungsdiode:
→ Schichtfolge: p+, p, n⎯ (i), n+ (A: Anode, K: Kathode)
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© V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Diffundierte pin-Dioden (Aufbau/Herstellung):
Ö Substrat: n⎯-dotiert
Ö Diffundierte n+-Zone
Ö Diffundierte p(+)-Zone
Vorteile / Nachteile:
Ö Hohe Sperrspannungen ≥1200 V
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Ö Waferdicke mit Dicke der MittelZone verknüpft
⇒ dünne Wafer notwendig
Ö Tiefe n⎯- und p(+)-Zone erlauben
Dickere Wafer
Ö Tiefe p(+)-Zone ⇒ nachteiliges
Reverse-Recovery-Verhalten
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur/epi-Schicht)
pin-Leistungsdiode mit epitaktisch aufgewachsener
Schicht für schnelle Schaltoperationen:
→ Schichtfolge: p+, n⎯ (i), n+ (A: Anode, K: Kathode)
A
Oxid (SiO2)
p+
Metallisierung
n⎯
epitaktische (epi-) Schicht
n+
Si-Substrat
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A
K
K
Metallisierung
© V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
Leistungsdioden (pin-Struktur/epi-Schicht)
Dotierprofil der pin-Leistungsdiode mit epi-Schicht:
→ Schichtfolge: p+, n⎯ (i), n+ (A: Anode, K: Kathode)
A
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© V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Kennlinie einer schnellen pin-Diode (T = 25 °C):
Beachte Skalierungen !
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Reinhart Job
UBD:
physikalische Durchbruchspannung
URRM:
maximal wiederholbare Spitzensperrspannung
UF :
Spannungsabfall bei einem definierten Strom IF
UFmax:
maximal zulässiger Spannungsabfall im zulässigen
Betriebsbereich
IR, IRM:
Sperrstrom und maximal zulässiger Sperrstrom
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Kennlinien von pin-Dioden:
Ö Diodenkennlinien sind stark temperaturabhängig !!!
Wenn die Temperatur steigt, dann
Ö steigt der Sperrstrom IR (Ladungsträgergeneration)
ƒ bei typischen oberen Betriebstemperaturen von 150 °C
bei Si-Leistungsdioden kann er um Zehnerpotenzen
höher sein als bei Raumtemperatur
Ö sinkt die Schleusenspannung UD
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ƒ wegen ni in der Formel für UD → U D =
(siehe folgende Folie)
kB ⋅T ⎛ N A ⋅ N D
⋅ ln⎜⎜
2
q
n
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⎝
Ö steigt die Sperrspannung entsprechend der Zunahme der
Durchbruchspannung für den Lawinendurchbruch
ƒ siehe übernächste Folie
⎞
⎟⎟
⎠
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Temperaturabhängigkeit der Durchlasskennlinien von schnellen pin-Dioden:
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Mit Platin diffundierte Diode
(aktive Fläche 0.32 cm2)
Diode mit strahlungsinduzierten
Rekombinationszentren
(aktive Fläche 0.32 cm2)
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© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Temperaturabhängigkeit der Sperrspannung
einer Diode:
Ö z. B. für die Sperrspannung eines pn-Übergangs mit
dreiecksförmigen Feldverlauf (Non-Punch-Through-Diode)
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© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Dimensionierung der pin-Diode:
a)
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b)
c)
a) Dreiecksförmiger Feldverlauf (RLZ reicht nicht in n+-Zone)
→ Non-Punch-Through (NPT-) Diode
b) Trapezförmiger Feldverlauf (RLZ reicht in n+-Zone rein)
→ Punch-Through* (PT-) Diode * kein echter PT, da RLZ nicht in ein
Gebiet mit anderer Dotierung reicht
c) Grenzfall des rechteckigen Feldverlaufs
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Dimensionierung der pin-Diode:
Ö PT-Dimensionierung
Ö RLZ dringt in n+-Zone ein
(trapezförmiger Feldverlauf)
Ö E fällt in n+-Zone schnell ab
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Ö Sperrspannung entspricht der
Fläche unter der E(w)-Kurve
⇒ PT-Diode → höhere Sperrspannung als NPT-Diode
(bei gleicher wB)
1
8
Ö Analytisch (E1 << E0): U BD = ⎛⎜ 8 ⋅ q ⋅ N D ⎞⎟ ⋅ wB − 1 ⋅ q ⋅ N D ⋅ wB2
2
ε
⎝ 3 ⋅ C' ⎠
(für Ableitung einer optimalen
Dotierung nicht zulässig)
Ö Numerische Lösung:
U BD =
E1 + E0 2
⋅ wB
2
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Dimensionierung der pin-Diode:
Ö PT-Diode → Sperrspannung in Abhängigkeit von der
Grunddotierung mit wB = 85 µm
Grenzwert für
sehr niedrige
Dotierung
numerische Lösung
der exakten Gleichung
analytische Lösung
der vereinfachten
Gleichung (E1 ≈ 0)
→ Maximum
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Ö Maximum → wegen Vernachlässigung von E1 (E1 << E0)
bei analytischer Lösung
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Dimensionierung der pin-Diode:
Ö Mindestweite wB der Basis (n⎯-Zone)
NPT-Diode
PT-Diode
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NPT-Diode → dreiecksförmiger Feldverlauf
PT-Diode → trapezförmiger Feldverlauf
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Dimensionierung der pin-Diode:
Ö Grenzfall für sehr niedrige n⎯-Grunddotierung (ND → 0)
Ö E1 = E0
Ö Sperrspannung (Grenzfall):
U BD Grenzfall
⎛ wB6 ⎞
= ⎜⎜ ⎟⎟
⎝ C' ⎠
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Ö Für ND ≤ 2⋅1013 cm-3 ⇒ UBD ≈ UBD/Grenzfall (→ letzte Folie)
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Ö Mindestweite wB/Grenzfall (Grenzfall):
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wB Grenzfall = C ' ⋅U
7
6
BD
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© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Einschaltverhalten von Leistungsdioden:
UFRM: Spannungsspitze
beim Einschalten
(FR: Forward-Recovery)
U F:
Durchlassspannung
IF:
Durchlassstrom
tfr:
Einschaltzeit
→ 0.1⋅IF bis 1.1⋅ UF
IF
tfr
UF
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Ö Steilheit des Einschaltstroms di/dt groß ⇒ UFRM groß /
Ö Niedriges UFRM → sehr wichtig für Beschaltungsdioden
(Beschaltung erst wirksam, wenn Diode eingeschaltet ist)
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Einschaltverhalten von Leistungsdioden:
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Ö Standarddiode mit breiter Basisweite wB
→ Soft-Recovery-Abschaltverhalten
Ö CAL-Diode (Controlled Axial Lifetime)
→ schnelle Diode, wB möglichst niedrig gehalten
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Spannungsspitzen beim Einschalten von
Leistungsdioden (Worst-Case-Szenario):
Ö UFRM als Funktion der spezifizierten Sperrspannung
hohe Sperrspannung:
ND klein, wB groß
⇒ UFRM groß
Ö Worst-Case:
di/dt = ∞
Ø
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U FRM =
wB ⋅ j
q ⋅ μn ⋅ N D
(Analytische Lösung)
Ö y-Achse: Logarithmische Skalierung !!!
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Ausschaltverhalten von Leistungsdioden:
Ö Abschaltvorgang → Übergang vom dem leitenden in den
sperrenden Vorgang
Ö Beim Übergang von leitenden in sperrenden Zustand
→ in der Diode gespeicherte Ladung muss abgebaut
werden
Ö Einfachste Schaltung zur
Messung des Abschaltverhaltens
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S:
idealer Schalter
IF:
ideale Stromquelle
Ubat: ideale Spannungsquelle
L:
Induktivität
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Ausschaltverhalten von Leistungsdioden:
Wichtige Parameter für das Ausschalt- (Recovery-) Verhalten:
Ö Temperatur
→ i. d. R. sind hohe Temperaturen kritisch für das
Ausschaltverhalten
→ bei einigen schnellen Dioden: schlechtes RecoveryVerhalten bei Raumtemperatur und darunter
Ö Angelegte Spannung
→ höhere Spannung ⇒ schlechteres Recovery-Verhalten
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Ö Höhe der Induktivität
→ höheres L ⇒ höhere Spannung an der Diode, deshalb
⇒ schlechteres Recovery-Verhalten
Ö Kommutierungssteilheit di/dt
→ Erhöhung von di/dt ⇒ Gefahr von Oszillationen und
Abriss des Rückstroms → snappiges Verhalten
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Ausschaltverhalten von Leistungsdioden:
Ö Stromverlauf für verschiedene Möglichkeiten für ein
snappiges Reverse-Recovery-Verhalten
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Ö Stromabrisse können zur Zerstörung der Diode führen
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© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Schaltverluste durch Leistungsdioden:
Ö Ausschaltverlustenergie der Diode:
tf
Woff = ∫ u (t ) ⋅ i(t ) dt
ts
Ö Vereinfachte Abschätzung mit folgender Schaltung
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© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Schaltverluste durch Leistungsdioden:
trr
1
⋅ I RRM ⋅ t rr ⋅ U bat
2
= QRR ⋅ U bat
Woff =
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Ö Vereinfachte Strom-/Spannungsverläufe
⇒ Schaltverlust proportional zu QRR
(QRR: Speicherladung)
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem
Schaltverhalten:
Ö Dioden mit Dotierstufe in niedrige dotierter Zone
Ö Dioden mit Anodenstrukturierung zur Verbesserung des
Abschaltverhaltens
ƒ Merged pin-Schottky-Diode (MPS-Diode)
ƒ Trench-Oxide-pin-Schottky-Diode (TOPS-Diode)
Ö CAL-Dioden
Ö EMCON-Dioden
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Ö Hybrid-Dioden
Ö Tanden-Dioden
Ö MOS-gesteuerte Dioden
Ö etc.
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem
Schaltverhalten:
Ö Dotierungsstufe
in n⎯-Zone
Ö Um Faktor 5 – 10
höhere Dotierung
Ö Zwei-stufiger EpiProzess
Ö Dioden bis 600 V
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Ö Spannung, die das Bauelement aufnehmen kann
→ Fläche unter E(w) (→ höher als bei dreieckigem Verlauf)
Ö Der Wert der Spannung, bei dem Stromabriss auftritt, wird
zu höheren Werten verschoben
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© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Leistungsdioden (pin-Struktur)
Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem
Schaltverhalten:
Ö Anodenstrukturierung → verbessertes Abschaltverhalten
Ö p-Emitter zur Verbesserung des Soft-Recovery-Verhaltens
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a) Merged pin/Schottky- (MPS-) Diode (Emitterstrukturierung)
b) Durchgehend reduzierte p-Dotierung → hohe EmitterRekombination
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem
Schaltverhalten:
Ö Kennlinie einer MPS-Diode mit 50 % Schottky-Fläche
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© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem
Schaltverhalten:
Ö Trench-Oxide-pin-Schottky- (TOPS-) Diode
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Ö Weiterentwicklung der MPS-Diode
Ö Fläche v. Ladungsträger induzierenden Gebieten reduziert
⇒ Ladungsträgerkonzentration am pn-Übergang gesenkt
Ö Soft-Recovery-Verhalten
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
Leistungsdioden (pin-Struktur)
Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem
Schaltverhalten:
Ö CAL-Diode (Controlled Axial Lifetime)
→ Rekombinationszentren mit kontrolliertem Tiefenprofil
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Profil der Rekombinationszentren in der CAL-Diode
© J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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Hochspannungsdioden
Neue Konzepte basierend auf vergrabenen Feld-Stop-Schichten:
(Tiefe 150 μm, realisiert durch p+-Bestrahlung)
Vorteil: n⎯-Schicht lagert kurzzeitig freie Ladungsträger während des Abschaltens ⇒ "soft turn-off"
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anode
p
p
p
n-
n-
n-
conventional
FS layer
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buried FS layer
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structured buried
FS layer
n
n
n+
n+
n+
cathode
cathode
cathode
H.-J. Schulze1), M. Buzzo2), F.-J. Niedernostheide1), M. Rüb2), H. Schulze2), R. Job3)
1)Infineon Technologies, Munich, Germany, 2)Infineon Technologies Austria, Villach, Austria
3)University of Hagen, Hagen, Germany, High-Purity-Silicon IX, Cancun, Mexico, 2006
Leistungsdioden (pin-Struktur/epi-Schicht)
Realer Aufbau einer pin-Leistungsdiode epi-Schicht:
→ Schichtfolge: p+, n⎯ (i), n+ (A: Anode, K: Kathode)
→ Kantenabschrägung
→ Kantenbeschichtung mit SiO2
→ überhängende Kathodenmetallisierung
⇒ Reduzierung der Leckströme über die Kanten
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Gliederung
ƒ Einleitung 9
ƒ Physikalische Grundlagen 9
ƒ pn-Übergänge 9
ƒ Halbleitertechnologie 9
ƒ pin-Dioden 9
ƒ Bipolare Leistungstransistoren
ƒ Thyristoren
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ƒ IGBT‘s
ƒ Schottky-Dioden
ƒ Leistungs-MOSFETs
Ende
Das war‘s für heute!
Hiermit ist der Studientag I (21645)
abgeschlossen.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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