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Diese Erfindung betrifft eine CCD-Bilderzeugungsvorrichtung, in der mehrere
Licht-Empfangsabschnitte für eine photoelektrische Umwandlung auf einem
Halbleitersubstrat ausgebildet sind. Die Bildsignale werden von Signalen ausgegeben, die
von diesen Licht-Empfangsabschnitten übertragen werden. Insbesondere betrifft die
Erfindung einen vertikalen Überlauf-Drainaufbau einer CCD-Bilderzeugungsvorrichtung, in
der elektrische Ladungen in das Halbleitersubstrat wandern bzw. gezogen werden.
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Allgemein umfaßt die CCD-Bilderzeugungsvorrichtung eine Anzahl von
Licht-Empfangsabschnitten, die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. Die zur
Erzeugung der Bildinformation notwendigen Signalladungen werden in diesen
Licht-Empfangsabschnitten erzeugt. Neben dem Aufbau des Licht-Empfangsabschnitt dieser
CCD-Bilderzeugungsvorrichtung ist ein Aufbau bekannt, in dem ein P-Typ Senkengebiet in
einem n-Typ Halbleitersubstrat ausgebildet ist und in dem ein P-Typ
Halbleiternberflächengebiet zur Unterdrücken des ansonsten auf der Oberfläche des
Licht-Empfangsabschnitts erzeugten Stroms und ein n&spplus;-Halbleitergebiet, das eine
Photodiode auf der Unterseite des P-Typ Halbleiteroberflächengebiets bildet, ausgebildet
sind. Die CCD-Bilderzeugungsvorrichtung dieses Aufbaus ist beispielsweise in "Nikkei
Micro-Devices", erschienen im Oktober 1987, Seiten 60 - 67, herausgegeben von Nikkei
McGraw Hill, offenbart.
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Als eine Technik zum Abziehen von Überschußladungen aus dem Licht-Empfangsabschnitt
ist eine Technik bekannt, bei der ein seitliches Überlauf-Drain vorgesehen ist. Die Technik,
Überschußelektronenladungen abzuziehen, indem das Potential längs der Tiefe des
Licht-Empfangsabschnitts speziell gestaltet wird, wie in der Japanischen Offenlegungsschrift
Nr. 18172/1986 offenbart ist, ist als betreffende Technik bekannt.
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Falls der Licht-Empfangsabschnitt von seiner Oberfläche aus gesehen einen pnpn-Aufbau
besitzt, ist es hinsichtlich der Störstoffkonzentration des n-Typ Halbleitersubstrats
notwendig, daß sie im Bereich von 1 x 10¹&sup4;cm&supmin;³ liegt für den Überstrahlungsrand und die
Steuerung am drei Spannungspegel.
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Aufgrund der umgekehrt vorgespannten Verbindung zwischen dem n-Typ Halbleitersubstrat
und dem p-Typ Senkengebiet, dehnt sich jedoch die Verarmungsschicht bei der zuvor
genannten Störstoffkonzentration des Halbleitersubstrats auf etwa 30um aus, so, daß die
Verschlußspannung auf etwa 50Volt hinsichtlich des Gleichstromwerts ansteigt. Daraus
ergibt sich eine verschlechterte Zuverlässigkeit des Verschlußablaufs und der
treppenförmigen Gebiete, die auf der Monitoranzeigefläche erzeugt werden, aufgrund des
nicht machbaren Verschlußablaufs.
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Andererseits ist es wünschenswert, das die Anzahl der gespeicherten Ladungen bei einer der
Sättigung entsprechenden Lichtstärke nicht erhöht wird. Dies wurde jedoch in dem zuvor
beschriebenen Licht-Empfangsabschnitt nicht zufriedenstellend erreicht. Deshalb wurde
verlangt, die Kniecharkteristik zu verbessern.
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Andere Versuche, den Überstrahlungseffekt in vertikalen Drain-Anordnungen zu steuern,
sind in JP-A-61077360 und EP-A-0265271 offenbart.
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Es ist eine grundsätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
CCD-Bilderzeugungsvorrichtung vorzusehen, in der das Ausdehnen der Verarmungsschicht
während dem Verschließen unterdrückt werden kann, um eine niedere Verschlußspannung
zu ermöglichen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
CCD-Bilderzeugungsvorrichtung vorzusehen, in der eine Erhöhung der Anzahl der
gespeicherten Ladungen unterdrückt werden kann, um die Kniecharakteristik zu verbessern.
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In der CCD-Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 hat der Licht-Empfangsabschnitt
einen Aufbau, bei dem die Halbleitergebiete verschiedener Leitfähigkeitstypen abwechselnd
von der Oberflächenseite des Abschnitts in die Tiefe ausgebildet sind. In dem
Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 6 besitzt der Licht-Empfangsabschnitt - von der
Oberfläche aus gesehen - einen pnpn-Aufbau, falls das unterste Halbleitergebiet,
beispielsweise das Halbleitersubstrat, vom n-Typ ist. Das unterste Halbleitergebiet wird von
einem Halbleitergebiet mit einer niederen Störstoffkonzentration und einem Halbleitergebiet
einer hohen Störstoffkonzentration, die auf der unteren Seite des Halbleitergebiets mit
niederer Störstoffkonzentration vorgesehen ist, gebildet. Zum elektronischen Verschließen
wird eine Spannung an das Halbleitergebiet mit der hohen Störstoffkonzentration angelegt.
Die Tiefe des Halbleitergebiets mit der hohen Störstoffkonzentration kann so gewählt
werden, daß es sich innerhalb des Bereichs der Verarmungsschicht befindet, die dann
erzeugt wird, wenn die Verschlußspannung angelegt wird. Durch das unterste
Halbleitergebiet mit der hohen Konzentration des dualen Substrataufbaus, der aus einem
Halbleitergebiet mit niederer Konzentration und einem Halbleitergebiet mit hoher
Konzentration besteht, wird es möglich, die Verschlußspannung zu erniedrigen und die
Kniecharakteristik zu verbessern.
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Fig. 1 ist ein Diagramm, das den Potentialverlauf längs der Tiefe des
Licht-Empfangsabschnitts der erfindungsgemaßen CCD-Bilderzeugungsvorrichtung
darstellt.
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Fig.2 ist ein Querschnittsdiagramm, das die wesentlichen Bereiche eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen CCD-Bilderzeugungsvorrichtung
zeigt.
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Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Änderungen der Verschlußspannung für ein
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen CCD-Bilderzeugungsvorrichtung im
Vergleich mit denen einer herkömmlichen CCD-Bilderzeugungsvorrichtung zeigt.
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Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Kniecharakteristik eines Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen CCD-Bilderzeugungsvorrichtung im Vergleich mit jener einer
herkömmlichen CCD-Bilderzeugungsvorrichtung zeigt.
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Mit Bezug auf die Fig. 1 wird zunächst der prinzipielle Betrieb der erfindungsgemäßen
CCD-Bilderzeugungsvorrichtung erläutert.
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In der erfindungsgemäßen CCD-Bilderzeugungsvorrichtung wird die Ausweitung der
Verarmungsschicht an der umgekehrt vorgespannten Verbindung zwischen einem
Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einem Halbleitergebiet mit niederer
Konzentration eines ersten Leitfähigkeitstyps unterdrückt durch ein Halbleitergebiet des
ersten Leitfähigkeitstyps mit einer hohen Konzentration. Somit wird ermöglicht, daß die
ladungen in vertikaler Richtung zu einer geringeren Potentialdifferenz gezogen werden.
Das eindimensionale Modell des Potentials wird in Fig. 1 gezeigt.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten eindimensionalen Modell ist das Gebiet von der Oberfläche zu
einer Tiefe Xj1 das p&spplus;-Typ Halbleiteroberflächengebiet (NA&spplus;), während das Gebiet von der
Tiefe Xj1 zu einer Tiefe Xj2 das n&spplus;-Typ erste Halbleitergebiet (ND&spplus;) ist und das Gebiet von
der Tiefe Xj2 zu einer Tiefe xj3 das P-Typ Halbleitergebiet (NA) ist. Das Gebiet von einer
Tiefe XJ3 zu einer Tiefe W ist das n-Typ Halbleitergebiet (ND) niederer Konzentration,
während das bezüglich der Tiefe W tiefere Gebiet das n&spplus;&spplus;-Typ Halbleitergebiet (ND&spplus;&spplus;) mit
hoher Konzentration ist. Die Konzentrationsverhaltnisse betragen NA&spplus; » ND&spplus; und nD&spplus;&spplus;
» ND. Es wird angenommen, daß der Potentialwert am Fuße der Potentialkurve im
n&spplus;-Typ ersten Halbleitergebiet und dessen Tiefe mit Vm bzw.x&sub2; dargestellt sind, während
der Spitzenspannungswert im p-Typ Halbleitergebiet und dessen Tiefe mit VB bzw. x&sub3;
angegeben sind. Es wird auch angenommen, daß die Substratspannung Vsub an das n&spplus;&spplus;-Typ
Halbleitergebiet mit hoher Konzentration angelegt ist, während das p&spplus;-Typ
Oberflächerngebiet an Massepotential gelegt wird.
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Aus jedem Grenzzustand werden folgende Gleichungen erhalten:
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Aus der Gleichung (5) ergibt sich auch die folgende Gleichung (6)
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Die folgende Gleichung (7) ergibt sich durch Veränderung der Gleichung (4)
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Anschließend wir VM berechnet, zur Vereinfachung werden λ und α auf
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gesetzt.
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Setzt man die Gleichung (6) in die Gleichung (1) ein, ergibt sich die folgende Gleichung (8)
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λ(xj2 - Xj1) - [VM] = [α(VM - VB)] ... (8)
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Löst man diese Gleichung (8) als quadratische Gleichung für VM ergibt sich die folgende
Gleichung (9)
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In dieser Gleichung (9) wird das Minus (-) Zeichen des Doppelzeichens übernommen, so
daß VM existiert. Multipliziert man jede Seite der Gleichung (9) mit sich selbst, erhält man
die folgende Gleichung (10)
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Nimmt man an, daß VM = VB während der Anlegung der Verschlußspannung ist und
verändert man die Gleichung (8), ergibt sich
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VB = λ²(xj2 - xj1)² ... (11)
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Setzt man diese Gleichung (11) in die Gleichung (7) ein, ergibt sich
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Aus dieser Gleichung (12) wird ersichtlich, daß die Verschlußspannung Vsub reduziert
werden kann, indem die Tiefe W des Halbleitergebiets mit hoher Konzentration vermindert
wird.
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Wie aus der Gleichung (7) ersichtlich, wird der Wert des Spitzenpotentials VB im p-Typ
Halbleitergebiet konstant, ohne von der Anzahl der gespeicherten Ladungen abzuhängen.
Somit kann die Kniecharakteristik im Vergleich zu der CCD-Bilderzeugungsvorrichtung mit
einem seitlichen Überlauf-Drainaufbau verbessert werden.
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Für die Berechnung einer beispielhaften Verschlußspannung Vsub werden ND&spplus; =5x10¹&sup5;(cm&supmin;³),
NA=1x10¹&sup7;(cm&supmin;³, Xj3 =3,5um, x j2 =2,5um, W=6um und x j1 =0,3um in die Gleichung
(12) eingesetzt. Daraus ergibt sich
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Vsub (Verschluß) = 18(V).
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In der vorhergehenden Beschreibung wird angenommen, daß die Verarmungsschicht
zwangsweise bei einer Tiefe W endet. Zumindest kann jedoch für die Verschlußspannung
Vsub (Verschluß) eine Tendenz zur Verringerung realisiert werden, indem ein
Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps mit hoher Konzentration innerhalb des
Bereichs der Verarmungsschicht vorgesehen wird, die sich bei der Anlegung der
Verschlußspannung ausweitet. Dadurch wird ein elektrischer Verschluß möglich, der bei
einer niederen Verschlußspannung arbeitet.
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Die CCD-Bilderzeugungsvorrichtung des dargestellten Ausführungsbeispiels ist ein Beispiel
für eine Zwischenzeilen- Übertragungstyp-CCD-Bilderzeugungsvorrichtung, in der das
Substrat durch ein n-Typ Halbleitergebiet einer niederen Störstoffkonzentration und einem
n&spplus;&spplus;-Typ Gebiet einer hohen Störstoffkonzentration gebildet ist, um eine Verringerung der
elektrischen Verschlußspannung zu ermöglichen.
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Der Aufbau der CCD-Bilderzeugungsvorrichtung ist in Fig. 2 gezeigt, in der das n-Typ
Halbleitersubstrat, das das zweite Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps ist, ein
n-Typ Halbleitergebiet mit einer niederen Störstoffkonzentration 2 und ein n&spplus;&spplus;-Typ
Halbleitersubstrat mit einer hohen Störstoffkonzentration 1 umfaßt. Auf diesem n-Typ
Halbleitergebiet mit der niederen Störstoffkonzentration 2 ist ein p-Typ Senkengebiet 3
ausgebildet, das ein Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps ist.
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Ein Licht-Empfangsabschnitt 6 ist von diesem p-Typ Senkengebiet 3 umgeben und umfaßt
eine p&spplus;-Typ Positiv-Loch-Speicherschicht 5, die ein Halbleiter-Oberflächengebiet des
zweiten Leitfähigkeitstyps ist, und ein n&spplus;-Typ Halbleitergebiet 4 auf der unteren Seite der
Positiv-Loch-Speicherschicht 5. Somit umfaßt der Licht-Empfangsabschnitt 6 - von dessen
Oberfläche aus gesehen - die p&spplus;-Typ Positiv-Loch-Speicherschicht 5, das n&spplus;-Typ
Halbleitergebiet 4, das pTyp Senkengebiet 3, das n-Typ Halbleitergebiet 2 mit niederer
Konzentration und das n&spplus;&spplus;-Typ Halbleitersubstrat 1 mit hoher Konzentration.
Beispielsweise besitzt das n-Typ Halbleitergebiet 2 mit niederer Konzentration eine
Störstoffkonzentration im Bereich von 10¹&sup4;cm &supmin;³, während das n&spplus;&spplus;-Typ Halbleitersubstrat
mit hoher Konzentration eine Störstoffkonzentration im Bereich von 10¹&sup6;cm &supmin;³ hat, was in
etwa dem 100-fachen der Störstoffkonzentration des Halbleitergebiets 2 entspricht. Die
Tiefe W der Schnittstelle zwischen dem n&spplus;&spplus;-Typ Halbleitersubstrat 1 mit hoher
Konzentration und dem n-Typ Halbleitergebiet 2 mit niederer Konzentration beträgt etwa
7um, während die Tiefe x j3 der Verbindung zwischen dem P-Typ Senkengebiet 3 und dem
n-Typ Halbleitergebiet 2 mit niederer Konzentration etwa 3um beträgt. Der
Substrataufbau, der aus dem Halbleitergebiet niederer Konzentration und dem
Halbleitergebiet mit hoher Konzentration besteht, wird durch Ionenimplantation von n-Typ
Störstoffen hoher Konzentration oder p-Typ Ausgleichsstörstoffen ausgebildet, oder durch
Übereinanderschichten von n&spplus;-Typ Epitaxieschichten auf das n&spplus;&spplus;-Typ Halbleitersubstrat
mit hoher Konzentration 1.
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Im p-Typ Senkengebiet 3 sind ein n&spplus;-Typ Ladungsübertragungs-Abschnitt 11 in einem
Abstand vom n&spplus;-Typ Halbleitergebiet 4 längs der Oberfläche des Gebiets 3 und eine zweite
p-Typ Senke 12 auf der Unterseite des Abschnitts 11 ausgebildet. Ein Ausleseabschnitt 13
ist im Bereich zwischen dem n&spplus;-Typ Ladungs-Übertragungsabschnitt 11 und dem n&spplus;-Typ
Halbleitergebiet 4 definiert, und ein Kanal wird in diesem Ausleseabschnitt 13 durch die
elektrische Spannung in einer Polysiliziumschicht 15 ausgebildet, die auf das Senkengebiet
3 aufgesetzt ist, indem eine Isolierschicht 14 dazwischen geschoben wird. Das Licht des
abzubildenden Objekts fällt auf den Licht-Empfangsabschnitt 6, der weder die
Polysiliziumschicht 15, die als Übertragungselektrode dient, noch eine Aluminiumschicht
16, die als Lichtabschirmung dient, enthält. Kanalstopgebiete 17, 17 sind auf den seitlichen
Oberflächenseiten des n&spplus;-Typ Ladungsübertragungs-Abschnitts 11 und dem
Licht-Empfangsabschnitt 6 ausgebildet. In der
Zwischenzeilen-CCD-Bilderzeugungsvorrichtung dient der n&spplus;-Typ
Ladungsübertragungs-Abschnitt 11 als ein vertikales Register, das sich an ein horizontales
Register anschließt, das senkrecht zum vertikalen Register vorgesehen ist. Die Bildsignale,
die in Form von Signalladungen übertragen werden, werden Zeile für Zeile aus dem
Horizontalregister über Ausgangspuffer ausgelesen.
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Der Aufbau des Licht-Empfangsabschnitts wird nun im Detail erläutert. Eine
Erdungsspannung Vss wird der p&spplus;-Typ Lochspeicherschicht 5 auf der Oberfläche des p-Typ
Senkengebiets 3 zugeführt, während eine variable Substratspannung Vsub dem untersten
n++-Typ Halbleitersubstrat 1 mit hoher Konzentration zugeführt wird. Das Potential
zwischen der p&spplus;-Typ Positiv-Loch-Speicherschicht 5 und dem n&spplus;&spplus;-Typ Halbleitersubstrat 1
mit hoher Konzentration zeigt eine Kurve, die in Fig. 1 dargestellt ist. Eine
Potentialbarriere VB ist im p-Typ Senkengebiet 3 ausgebildet, so daß die Signalladungen
ununterbrochen am Fuße des Potentials VM des Gebiets mit einer geringeren Tiefe als die
Potentialbarriere VB gespeichert werden. Während dem elektronischen Verschließen wird
eine hohe Spannung an das n&spplus;&spplus;-Typ Halbleitersubstrat 1 mit hoher Konzentration angelegt,
um die Signalladungen in das Substrat zu ziehen. In der CCD-Bilderzeugungsvorrichtung
des dargestellten Ausführungsbeispiels wird das Ausweiten der Verarmungsschicht an der
Verbindung zwischen dem p-Typ Senkengebiet 3 und dem n-Typ Halbleitergebiet 2 mit
niederer Konzentration durch das n&spplus;&spplus;-Typ Halbleitersubstrat 1 mit hoher Konzentration
unterdrückt, um ein Verschließen bei einer geringeren elektrischen Spannung zu
ermöglichen.
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Die Verschlußspannungs-Charakteristik ist in Fig. 3 gezeigt, wobei die Abszisse die
Substratspannung Vsu bezeichnet und die Ordinate die Spannung ΔVsub, die zum
Verschließen notwendig ist. In der herkömmlichen pnpn n&spplus;&spplus;-Typ
CCD-Bilderzeugungsvorrichtung wird die Spannung ΔVsub mit Erhöhung der
Substratspannung Vsub erhöht, wie das durch eine gestrichelte Linie B dargestellt ist, so daß
ein zufriedenstellendes Verschließen nicht erreicht werden kann, solange nicht eine hohe
Spannung verwendet wird. In der pnpn n&spplus;&spplus;-Typ CCD-Bilderzeugungsvorrichtung des
dargestellten Ausführungsbeispiels wird keine hohe Spannung ΔVsub benötigt, selbst wenn
die Substratsparmung Vsub erhöht wird, die durch eine durchgezogene Linie A dargestellt ist,
so daß das Verschließen bei einer niederen Spannung ausgeführt werden kann.
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Bezüglich der Kniecharakteristik in der herkömmlichen CCD-Bilderzeugungsvorrichtung
wird die Anzahl der gespeicherten Ladungen erhöht, nachdem die Lichtstärke den
Sättigungswert überschreitet, wie durch eine gestrichelte Linie D in Fig.4 angezeigt. In der
CCD-Bilderzeugungsvorrichtung der dargestellten CCD-Bilderzeugungsvorrichtung kann
eine Vergrößerung der gespeicherten Ladungen unterdnückt werden, wie durch eine
gestrichelte Linie C in Fig.4 gezeigt, so daß das Überstrahlen effektiv gesteuert werden
kann.