Wie reagieren CMOS-Sensoren auf Kälte?

Hallo Zusammen,

da die kalte Jahreszeit endlichevil wieder angefangen hat und der erste Schnee gefallen ist, sprang mir kürzlich wieder eine Frage in den Kopf die ich mir schon länger stelle: Wie stark reagieren unsere CMOS-Sensoren auf die Kälte?

Wir wissen ja, das Halbleiter unter Kälte Einbußen in der Leitfähigkeit haben. Das heißt, der Sensor ist (ganz naiv gesagt) schwieriger auszulesen und fängt an zu Rauschen wie bei höheren ISO?

Mir ist das stark aufgefallen bei meiner 5D3: Ich hab mit meiner Freundin ein paar Bilder auf dem Feldberg bei ca -7°C gemacht. Es war strahlend hell, ISO100, Verschlusszeiten bei 1/4000, f/2.
Und die Bilder rauschten. Ich mag es fast vergleichen mit ISO8000. Dazu waren Bäume und braune Hosen blau, trotz warmen Weißabgleich.

Habe ich da einfach einen ****** Tag erwischt oder sind die CMOS-Sensoren wirklich so kälteempfindlich, dass es zu Farbverschiebungen und Rauschen kommt?

Liebe Grüße
Benedikt

Ich habe schon sehr viel bei Kälte fotografiert und meine Bilder haben noch nie übermäßig gerauscht - und was das Blau angeht: So ist das Licht halt, das gibt die Kamera einfach nur korrekt wieder...

Du kannst ja gerne mal ein Beispielbild hochladen, vielleicht war das Bild ja stark unterbelichtet und du hast es korrigiert?

Generell würde ich den Fehler eher hinter als in oder vor der Kamera vermuten

Hi Benedikt,
bei blauem Himmel über Schnee kommt die Farbtemperatur schnell auf deutlich fünfstellige Werte. Mit einem vorgewählten WB auf z.B. "Tageslicht" (5600K) werden dann eben auch Bäume und Hosen blau. Verstärkt noch in Schattenbereichen.
Abhilfe: WB auf neutrale Graukarte

HI_VOL schrieb:

Habe ich da einfach einen ****** Tag erwischt ...

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AFAIK werden in der Astrofotografie die Sensoren sogar absichtlich heruntergekühlt, damit sie weniger rauschen.
Wenn Du in den EXIF nachschaust, wirst Du auch sehen, dass der Sensor trotz der Außenkälte noch recht warm war.
Muss also an etwas anderem liegen. Vielleicht waren die Photonen unwillig...

C.

Borgefjell schrieb:

Du kannst ja gerne mal ein Beispielbild hochladen

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Kann ich zuhause vom Rechner aus machen. Hab die RAW's nicht auf meinem Handy

Ok weißabgleich habt ihr mich überzeugt.
Aber das mit dem Rauschen bleibt ungelöst, ich weiß noch, dass ich in LR damals noch abgedunkelt habe


Aber generell: In "menschlichen" Temperaturen sind unsere Sensoren eigentlich ziemlich unbewegt?

Wie hier bereits gesagt: Sensoren rauschen mehr wenn sie heiß sind, Kälte ist da eher förderlich

HI_VOL schrieb:

Aber generell: In "menschlichen" Temperaturen sind unsere Sensoren eigentlich ziemlich unbewegt?

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Ja. Unsere sCMOS-Sensoren werden auf 0 bis -10°C gekühlt, es gibt aber auch Modelle, die bia -40°C kühlen. Bei den Kameras mit CCD-Sensoren gehen wir je nach Kameramodell und Anwendung auf -10°C, -25°C oder sogar auf -60/-70°C.

HI_VOL schrieb:

Wir wissen ja, das Halbleiter unter Kälte Einbußen in der Leitfähigkeit haben. Das heißt, der Sensor ist (ganz naiv gesagt) schwieriger auszulesen und fängt an zu Rauschen wie bei höheren ISO?

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Die Leitfähigkeit eines Halbleiters steigt zwar mit der Temperatur, aber das ist ja nicht die Aufgabe eines Halbleiters. Einfach ausgedrückt soll der Halbleiter (daher auch der Namen) halb leiten und halb sperren. Erst die Ladungsunterschiede ermöglichen eine logische Schaltung. Mit steigender Temperatur wird es immer schwieriger dieser Ladungsunterschiede nutzbar zu machen (dadurch nimmt auch das Rauschen zu). Für die meisten Transistoren liegt die maximale Temperatur bei 70-100C, darüber funktionieren sie nicht mehr. Daher werden die meisten CPUs und viele Sensoren aktiv gekühlt.

Hallo,

bei den "üblichen" niedrigeren Temperaturen gibt es ganz sicher keine Probleme mit DSLRs. Nur das Rauschen nimmt halt nicht unerheblich ab. Für die Amateurastronomen gibt es sogar kleine Kühlschränke für die DSLRs. Wer mehr Geld hat greift dann zu etwas "richtigem" mit einer mehrstufigen Kühlung.

Bei normalen DSLRs könnte es aber Probleme bei einer zu brachialen Kühlung geben. Vor Jahren habe ich mal die Website eines Bastlers gesehen der seine Kamera mit Trockeneis gekühlt hat. Da gab es dann in den Darks fleckige helle Stellen. Also nicht das gewünschte Ergebnis bei höheren Temperaturen aber immer noch sehr deutlich unter 0°C waren die Darks dann wieder einfach nur dunkel, aber halt mit ein klein wenig mehr Rauschen.


MfG

Rainmaker

Hallo,
Astronomen haben angeblich sogar schon ihre Fotoplatten mit flüssigem Stickstoff gekühlt (-196° C). Und in Aufklärungsflugzeugen werden die Sensoren auch teilweise so gekühlt.

Einfach ausgedrückt soll der Halbleiter (daher auch der Namen) halb leiten und halb sperren. Erst die Ladungsunterschiede ermöglichen eine logische Schaltung.

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Das ist eine etwas eigenartige Definition eines Halbleiters.

Richtig ist: Bei einem Leiter nimmt die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur ab, bei einem Halbleiter zu.

Ein dotierter Halbleiter hat einen Temperaturbereich, in dem er halbleitend ist. Darunter ist er ein Nichtleiter und darüber ein Leiter. Zumeist haben Halbleiter eine kovalente Bindung und ein Diamantgitter (Elementhalbleiter Diamant, Silizium, Germanium). Das Diamantgitter besteht aus 2 ineinander verschränkten kubisch-flächenzentrierten Gittern. Verbindungshalbleiter haben meist eine ähnliche Struktur wie ein Diamantgitter, nur ist eine kubisch-flächenzentrierte "Subgitter" mit dem ersten Element und das 2. Subgitter mit dem 2. Element besetzt. "Schaltbare" Halbleiter entstehen erst durch die Dotierung mit 3- bzw. 5-wertigen Elementen. Ohne Dotierung ist ein Halbleiter nur ein temperaturabhängiger Widerstand (Heißleiter).

Aus dieser Struktur erklären sich die Eigenschaften der Halbleiter. Die kovalente Bindung ist sehr stark, so dass die Beweglichkeit der Elektronen extrem gering ist.

Wenn man sich nun den halbleitenden Bereich eines dotierten HL ansieht (im einfachsten Fall in Form einer Diode (Kombination eines p- und eines n-leitenden HL), dann fließen in Sperrrichtung trotzdem kleine Ströme, je höher die Temperatur, desto höhere. Diese Ströme in Sperrrichtung sind das Rauschen.

Bei einem CMOS-Transistor gibt es eine Sperrschicht aus einem Metalloxid und die Art des Metalloxids ist maßgebend für die Höhe der Ströme in Sperrrichtung und damit für das Rauschen - aber auch für die Temperaturabhängigkeit des Rauschens.

Silizium hat eine untere Grenze des halbleitenden Bereiches von ca. minus 20 bis minus 25 °C. Darunter ist Silizium ein Nichtleiter. Mit der Dotierung kann man diese untere Grenze etwas verschieben. Weil es in ******* (Sibirien) vielfach kälter ist, war zumindest in der Vergangenheit beim Militär keine Silizium-Elektronik, sondern Germanium-Elektronik eingesetzt worden, denn diese funktioniert ohne Aufwärmung auch bei minus 50 °C. Silizium-Elektronik muss bei diesen Temperaturen beheizt werden, damit diese funktioniert.

Eine Kühlung eines CMOS-Sensors auf Siliziumbasis unter diese Grenze führt zum zeitweiligen Totalversagen. In der Raumfahrt werden Sensoren z.T. auf knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt, aber das sind keine Bildsensoren auf Basis von Silizium-CMOS, sondern z.B. Sensoren, bei denen Photonen Elektronen-Loch-Paare erzeugen, die dann gezählt werden - eine völlig andere Technologie.

Der 2. Grund in der Raumfahrt besteht darin, dass ein Sensor prinzipiell nur dann messen kann, wenn er kälter ist als die Energie der zu messenden Photonen. Wie bekannt ist, hat Licht eine bestimmte Temperaturäquivalenz, einige Tausend Kelvin, und da bringt so eine extreme Kühlung nicht viel. Wenn man jedoch extrem energiearme Infrarotstrahlung messen will, dann ist deren Energieäquivalent z.B. von der Hintergrundstrahlung vom Urknall nur etwa 2 bis 3 Kelvin und da muss der Sensor auf Temperaturen darunter gekühlt werden.

Wenn man die Temperaturabhängigkeit des Rauschens von CMOS-Bildsensoren verringern will, muss man statt des Siliziumdioxids als Metalloxid z.B. Hafnium- oder Wolframoxid einsetzen. Das ist jedoch technisch viel anspruchsvoller und teurer und wird gegenwärtig vor allem bei Hochleistungsprozessoren so gemacht. Durch die Minderung des Rauschens kann man die Betriebsspannung herab setzen und damit den Stromverbrauch und es entsteht weniger Abwärme.

Bei Bildsensoren hätte es zudem den Vorteil, dass der Dynamikbereich erheblich vergrößert werden kann.

Der Anfang stimmt und ist ordentlich erklärt. Irgendwann wird es aber leider "dwuen"-mässig phantastisch.

dwuen schrieb:

Silizium hat eine untere Grenze des halbleitenden Bereiches von ca. minus 20 bis minus 25 °C. Darunter ist Silizium ein Nichtleiter.

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Die Eigenleitung steigt über weite Bereiche exponentiell mit der Temperatur, die Angabe einer Grenze ist daher wenig sinnvoll. Vor allem bestehen elektronische Halbleiter aber praktisch ausschliesslich aus dotiertem Silizium, bei dem die Eigenleitung eher stört. Deshalb definiert diese eine obere, aber keine untere Grenze des nutzbaren Temperaturbereichs. Die untere Grenze ist durch die Ionisierungsenergie der Störstellen definiert, die möglichst alle ("Störstellenerschöpfung") ionisiert sein sollen, und ist praktisch im Bereich -50...-100 °C zu finden. Auch das ist keine harte Grenze, die Eigenschaften ändern sich drunter halt immer stärker. Wenn man will, kann man Si-MOS-Elektronik auch so entwickeln, daß sie bei der Temperatur des flüssigen Stickstoff (ca. -200 °C) funktioniert - aber dann eben nicht mehr bei Raumtemperatur.

dwuen schrieb:

Mit der Dotierung kann man diese untere Grenze etwas verschieben. Weil es in ******* (Sibirien) vielfach kälter ist, war zumindest in der Vergangenheit beim Militär keine Silizium-Elektronik, sondern Germanium-Elektronik eingesetzt worden

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Hier wird es dann gänzlich phantastisch, keinerlei Bezug zur Realität mehr. Militärelektronik in Germanium, ich lach mich kaputt! - Schon bei etwas höheren Temperaturen funktionieren Germaniumbauelemente nicht mehr. Der Krieg findet nur im Winter statt, gefahren, geflogen und geschossen wird nicht (weil alles Hitze produziert). Eigentlich ein sehr friedlicher Ansatz.

Der übliche Temperaturbereich militärischer Versionen von Si-ICs liegt bei -55...+125 °C Umgebungstemperatur. Das war auch schon vor 40 Jahren so. Kfz-Elektronik wird ab -40° C spezifiziert, die obere Grenze je nach Einbauort, im Motorraum auch über 100 °C.

dwuen schrieb:

statt des Siliziumdioxids als Metalloxid z.B. Hafnium- oder Wolframoxid einsetzen. Das ist jedoch technisch viel anspruchsvoller und teurer und wird gegenwärtig vor allem bei Hochleistungsprozessoren so gemacht. Durch die Minderung des Rauschens kann man die Betriebsspannung herab setzen und damit den Stromverbrauch und es entsteht weniger Abwärme.

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Erster Teil stimmt, hinten raus wird es wieder Unsinn. Andere Oxidmaterialien werden eingesetzt, um trotz sehr dünner Schichten die statischen Leckströme zu reduzieren. Die dünnen Schichten braucht man, um mit wenig Steuer- und damit wenig Betriebsspannung auszukommen, was hilft, die Leistungsaufnahme im Betrieb (dynamische Ströme beim Umladen der Gatekapazität) zu senken. Dabei darf aber nicht die statische Leistungsaufnahme zu sehr ansteigen.

Rauschen spielt bei den Digitalschaltungen keine nennenswerte Rolle.

dwuen schrieb:

Bei Bildsensoren hätte es zudem den Vorteil, dass der Dynamikbereich erheblich vergrößert werden kann.

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Nach oben hin nicht, und das Ausleserauschen ist auch jetzt schon bei den guten Sensoren ziemlich gering. Geringere Leckströme würden in erster Linie bei Langzeitbelichtung die hot pixel reduzieren. Außerhalb der Astronomie, wo deshalb gekühlt wird, von überschaubarem Vorteil.


Zur Ausgangsfrage: solange die Kamera mechanisch funktioniert (das kan bei Kälte das erste Problem sein, daß etwas klemmt), hat Kälte keinen negativen, sondern bezüglich Sensorrauschen sogar positiven Einfluß. Alles bezogen auf Temperaturen, wie wir sie allenfalls draussen erleben, also vielleicht bis -30 °C.

dwuen schrieb:

Das ist eine etwas eigenartige Definition eines Halbleiters.
...

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Ich mag jetzt nicht im Detail auf deine Erläuterungen eingehen, aber bitte recherchiere das noch mal. Da ist die eine oder andere Schlussfolgerung nicht ganz "sattelfest".
Um dich in die richtige Richtung zu schubsen - das Germanium kommt vor allem in der HF (Hochfrequenz) Technik, also meist Radar oder Funktechnik, zum Einsatz. Und dort meistens in nur einem oder wenigen Bauelement...

Das mit den Temperaturen und dem Versagen von herkömmlichen Halbleitern kann oft auch mechanische Gründe haben, immerhin zieht sich das Zeug bei Kälte zusammen und ein Halbleiterbauteil ist ein "wilder" Mix von verschiedenen Materialien mit unterschiedlichem Ausdehnungsverhalten. Dadurch kann es zu mechanischen Spannungen innerhalb der Bauteile kommen, die dann auch zum Bruch oder Riss an einer Verbindungsstelle führen kann, bzw. Bauteile müssen auch eingelötet werden und die Lötstellen können dann auch abreissen.
Aber wie whr_ gesagt hat, bei "handelsüblichen" Temperaturen (-15 .. +40) muss man sich keine Gedanken machen. Wenn es kälter wird, würde ich mir eher Sorgen um die Schmierung der Mechanik in der Kamera machen, als dass ein Halbleiter "Schluckauf" bekommt.

mrdigital schrieb:

Um dich in die richtige Richtung zu schubsen - das Germanium kommt vor allem in der HF (Hochfrequenz) Technik, also meist Radar oder Funktechnik, zum Einsatz. Und dort meistens in nur einem oder wenigen Bauelement...

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Und auch da nicht als Germanium-Halbleiter, sondern als Si-Ge-Epitaxieschicht auf einen Si-Wafer, wegen der damit realisierbaren höheren Elektronenbeweglichkeit.

"Echte" Ge-Halbleiter gibt es heute noch als Photodetektoren im nahen Infrarot (jenseits von 1 µm Wellenlänge, wo Si aufhört, bis etwa 1,7 µm), wenn Detektoren auf III-V-Basis zu teuer sind oder aus anderen Gründen ausscheiden.

Und halt in der allgemeinen Elektronik bis Anfang der 1960er, in Einzelfällen bis in die 1970er Jahre, weil man nichts Besseres (Si) hatte.

Hier wird es dann gänzlich phantastisch, keinerlei Bezug zur Realität mehr. Militärelektronik in Germanium, ich lach mich kaputt! - Schon bei etwas höheren Temperaturen funktionieren Germaniumbauelemente nicht mehr. Der Krieg findet nur im Winter statt, gefahren, geflogen und geschossen wird nicht (weil alles Hitze produziert). Eigentlich ein sehr friedlicher Ansatz.

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Ich habe jahrelang in verantwortlicher Position Militärelektronik der Russen in Lizenz gefertigt und kenne mich deshalb auf diesem Gebiet sehr genau aus, inklusive der betreffenden Militär- und Luftfahrtnormen der Russen und der Amis und der elektrischen Prüfungen unter verschiedenen Temperatur-, Vibrations- und Stoßbedingungen sowie die praktischen Erprobungen "im Feld".

Die Temperaturanforderungen waren damals von -50 bis +65 °C. Die geforderte Stoßfestigkeit war 600g, d.h. wenn man das Erzeugnis aus einem sehr hohen Hochhaus wirft, musst es dann mit Sicherheit noch funktionieren. Einige elektronischen Erzeugnisse mussten 2000 g - Stöße schadlos überstehen. Solche Stöße entstehen beim Abschuss innerhalb des Geschosses einer Panzerkanone. Von 10000 Erzeugnissen durfte nur eines ausfallen und das bei ca. 150000 Einzelteilen.

Militär- und Luftfahrtelektronik hat viel komplexere Anforderungen zu erfüllen als herkömmliche Zivilelektronik. Das klingt schon manchmal etwas phantastisch.

Und auch da nicht als Germanium-Halbleiter, sondern als Si-Ge-Epitaxieschicht auf einen Si-Wafer, wegen der damit realisierbaren höheren Elektronenbeweglichkeit.

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So ist das. Das wird z.B. bei Mikroprozessoren so gemacht. Silizium und Germanium haben die gleiche Kristallstruktur, aber unterschiedliche Gitterkonstanten. Je nach Mischungsverhältnis von Si und Ge verändert sich die Gitterkonstante des Mischkristalls in etwa linear (Vegardsche Regel). Damit kann man sehr genau eine mechanische Verspannung zwischen dem Silizium-Wafer und der epitaktisch abgeschiedenen Schicht einstellen. Wenn ich mich richtig erinnere, dann bringt das eine etwa um 15 % schnellere Elektronenleitung und damit eine größere Geschwindigkeit des Prozessors.

Mikrowellenstrahlung wie beim Radar und für Verbindungen zu Satelliten hat eine um den Faktor 1000 höhere Frequenz als UKW. Früher war das mit Siliziumelektronik nicht machbar, weil die Geschwindigkeit der Elektronen in Silizium sehr langsam ist. Mit der Verkleinerung der Strukturen in Si-Schaltkreisen müssen die Elektronen nicht mehr so große Entfernungen zurück legen und das bedeutet eine viel größere Taktgeschwindigkeit.

Deshalb wurde früher und z.T noch heute für die Höchstfrequenzstufe Galliumarsenid als Halbleiter eingesetzt. Nun hat Galliumarsenid aber einige häßliche Eigenschaften. Zum einen lässt es sich viel schwerer Prozessieren als Silizium (wie auch andere Verbindungshalbleiter) und zum anderen ist Galliumarsenid sehr giftig, d.h. Anfassen und den Finger in den Mund stecken, z.B. Schnitten oder Obst anfassen und Urks, zumindest starke Vergiftungssymptome. Deshalb ist das neue "Wundermaterial" der Elektronik Galliumnitrid. Galliumnitrid ist auch viel schneller als Si, übersteht höhere Spannungen (z.B. Hochspannungsschaltkreise und damit Verzicht auf Thyristoren) und hat eine sehr interessante Bandlücke, so dass LEDs im harten Blau leuchten. Fast jeder von Euch hat ein GaN-Baulement schon in der Hand gehalten - weiße LED-Lampen. Das energiereiche blaue Licht regt ein Fluoreszenzgemisch zum Leuchten in der gewünschten Farbe an. Für diese blaue LED gab es den Nobelpreis.

Mit blauem Licht erhöht sich auch die Übertragungsrate bei Glasfaserleitern, so dass auch das DSL viel schneller wird.

dwuen schrieb:

Mikrowellenstrahlung wie beim Radar und für Verbindungen zu Satelliten hat eine um den Faktor 1000 höhere Frequenz als UKW. Früher war das mit Siliziumelektronik nicht machbar, weil die Geschwindigkeit der Elektronen in Silizium sehr langsam ist.

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100 MHz waren mit Silicium-HF-Transistoren weitgehend problemlos machbar.
Ge-Transistoren hatten teilweise schon im NF-Bereich Probleme.
Das ganze hat allerdings nichts mit der Elektronenbeweglichkeit zu tun (die übrigens
im der Praxis leider bis zu 1 Größenordnung unter der des Bulkmaterials liegt), die beschreibt nur die Driftgeschwindigkeit. Für eine schnelle Weiterleitung von Information
interessiert das Produkt aus Driftgeschwindigkeit und Ladungsträgerdichte. Und das auch nur, um die Kondensatoren (Nutz- wie Parasitär-) im Innern umzuladen. Der eigentliche Informationsaustausch würde an sich mit etwa c/2 noch etwas schneller gehen.

Deshalb wurde früher und z.T noch heute für die Höchstfrequenzstufe Galliumarsenid als Halbleiter eingesetzt. Nun hat Galliumarsenid aber einige häßliche Eigenschaften. Zum einen lässt es sich viel schwerer Prozessieren als Silizium (wie auch andere Verbindungshalbleiter) und zum anderen ist Galliumarsenid sehr giftig,

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GaAs ist zwar nicht ungiftig, aber vor bei Silclium-Bearbeitung entstehenden SiF4 habe ich wesentlich mehr Respekt.

Ansonsten ist GaAs für klassische Schaltkreise in CMOS unbrauchbar. Schlechter Löcherleitfähigkeit, hohe Defektdichte, schlechte Miniaturisierung (100 nm wurde vor kurzem erreicht).

Frank Klemm schrieb:

100 MHz waren mit Silicium-HF-Transistoren weitgehend problemlos machbar.
Ge-Transistoren hatten teilweise schon im NF-Bereich Probleme.

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Solche Aussagen sollte man datieren.....

Ein Fernsehempfänger um 1965 hatte im UHF-Tuner Ge-Transistoren (AF239/279), in der sonstigen (langsameren) Kleinsignalelektronik Si-Transistoren und in den Leistungsstufen Elektronenröhren. Das war damals die jeweils beste verfügbare Lösung. Bezogen auf den Stand der Technik im Westen - wie das im Osten war, weiß ich nicht.
Edit: Wissenslücke gestopft, da hat man noch 10 Jahre länger UHF-Umsetzer mit Ge-Transistoren hergestellt.

Heute wird Si bis deutlich über 10 GHz eingesetzt, SiGe bis fast 100 GHz (77 GHz Kfz-Radar).

Frank Klemm schrieb:

Ansonsten ist GaAs für klassische Schaltkreise in CMOS unbrauchbar.

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"Klassisch" und "CMOS" ist für mich eher ein Widerspruch.

Natürlich sind III-V-Halbleiter (GaAs, InP) erste Wahl für sehr schnelle Schaltungen. Nicht mit MOSFETs, also schon gar nicht in CMOS.

dwuen schrieb:

Mit blauem Licht erhöht sich auch die Übertragungsrate bei Glasfaserleitern, so dass auch das DSL viel schneller wird.

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Das ist hier besser als Comedy.

Es gibt also keine Bildsensoren die in der Kälte schlechter performen als in der Wärme? Richtig?

Was ist nun mit seinem Problem?

Ich fürchte, das werden wir nicht herausfinden. Ohne TO, ohne Beispielbilder. Bis zum Beweis des Gegenteils nehme ich an, das Problem lag wie so häufig außerhalb der Kamera.