Cette thèse a pour objectif de contribuer à la modélisation, à la simulation et à l’analyse des signaux contenant des potentiels d’action extracellulaires (EAPs), tels que mesurés in-vivo par des microélectrodes implantées dans le cerveau. Les modèles actuels pour la simulation des EAPs consistent soit en des modèles compartimentaux très détaillés et lourds en calcul, soit en des modèles dipolaires jugés trop simplistes. Dans un premier temps, une approche de simulation des EAPs se situant entre ces deux extrêmes est proposée, où la somme des contributions des compartiments du neurone est traitée comme une convolution, appliquée aux courants membranaires d’un seul compartiment actif. L'analyse des EAPs passe par une étape de classification des potentiels d'action détectés dans le signal enregistré, qui consiste à discriminer les formes de potentiels d’action et ainsi à identifier l'activité de neurones uniques. Dans cette thèse, une nouvelle approche basée sur l’inférence bayésienne est développée permettant l'extraction et la classification simultanées des EAPs. La méthode est appliquée à des signaux générés à l'aide de l'approche de simulation proposée plus haut, confirmant la qualité de la méthode de classification introduite et illustrant la capacité de la méthode de simulation à générer des EAPs réalistes de formes diverses et discriminables. Nous avons enrichi une modélisation de l’activité hippocampique réalisée dans l’équipe permettant de reproduire des oscillations dans ces bandes fréquentielles spécifiques en introduisant les EAPs, ceci afin d’évaluer les contributions de l'activité synaptique et celle des potentiels d’action à certaines bandes de fréquence des signaux enregistrés. Finalement, une étude sur signaux réels enregistrés dans le cadre de l'étude de la perception des visages chez l'homme a été menée, illustrant les performances de la méthode de spike sorting proposée dans un cadre réel et ouvrant la discussion sur les perspectives qu'offrent ces travaux de thèse pour l'étude de questions neuroscientifiques basées sur l'analyse de signaux multi-échelle. / The objective of this thesis is to contribute to the modelling, simulation and analysis of signals containing extracellular action potentials (EAPs), as measured in vivo by microelectrodes implanted in the brain. Current models for the EAPs simulation consist either of very detailed and computationally heavy compartmental models or dipole models considered too simplistic. An EAP simulation approach between these two extremes is proposed, where the sum of the contributions of the neuron compartments is treated as a convolution, applied to the membrane currents of a single active compartment. The analysis of EAPs involves a step of classifying the action potentials detected in the recorded signal, which consists in discriminating the forms of action potentials and thus identifying the activity of single neurons In this thesis, a new approach based on Bayesian inference is developed allowing the simultaneous extraction and classification of EAPs. The method is applied to signals generated using the simulation approach proposed above, confirming the quality of the sorting method introduced and illustrating the ability of the simulation method to generate realistic EAPs of various and discriminatory forms. We modified a model of hippocampal activity previously proposed in our team, able to reproduce oscillations in specific frequency bands, by including the EAPs model, which allowed to evaluate the contributions of synaptic activity and that of action potentials the recorded signals. Finally, a study on real signals recorded as part of the study of face perception in humans is conducted, illustrating the performance of the proposed spike sorting method in a real setting and opening the discussion on the perspectives offered by this thesis work for the study of neuroscientific questions based on multiscale signal analysis.

Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) en Nitrure de Gallium (GaN) s’affirment aujourd’hui comme une technologie essentielle à l’amplification de puissance à haute fréquence. Les HEMTs GaN étudiées et développées reposent essentiellement sur une hétérostructure AlGaN/GaN mais une alternative à base d’une barrière composée en InAlN, réduisant les contraintes sur les mailles cristallographiques de l’ensemble, est étudiée par certains laboratoires. Ce manuscrit de thèse rapporte une étude des potentialités de la filière HEMT InAlN/GaN développée au III-V Lab, en s’intéressant tout particulièrement aux effets de pièges induits par des défauts présents au sein de la structure. Une méthode de détection de ces défauts est proposée, basée sur la mesure de paramètres [S] en basse fréquence. Un modèle de HEMT InAlN/GaN électrothermique comprenant la contribution des effets de pièges est rapporté et sert de base à la conception d’un amplificateur de puissance en technologie MMIC, fonctionnant en bande Ka, présenté au dernier chapitre. / Nowadays, High Electron Mobility Transistors (HEMTs) in Gallium Nitride (GaN) take the lead in power amplification at microwave frequencies. Most of the studies and developments on those HEMTs concern AlGaN/GaN structures but alternative transistors with an InAlN barrier, which reduces the strain in the crystal lattice of the whole structure, are investigated by few laboratories. This thesis presents some advanced studies on the new InAlN/GaN HEMT developed by the III-V Lab, focusing on the trapping phenomena induced by defects inside the crystal structure. A new method for the characterization of these defects, based on low-frequency S-Parameters measurements, is proposed. Furthermore, a non-linear electro thermal model including trapping effects for an InAlN/GaN HEMT is detailed and used to design a MMIC power amplifier for Ka-band applications.

Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) en nitrure de gallium (GaN) s’affirment comme les candidats prometteurs pour les futurs équipements à micro-ondes - tels que les amplificateurs de puissance à état solide (SSPA), grâce à leurs excellentes performances. Une première démonstration d'émetteur en technologie GaN-MMIC a été développée et embarquée dans la mission spatiale PROBA-V. Mais cette technologie souffre encore des effets de pièges par des défauts présents au sein de la structure. L’objectif de ce travail est donc l'étude d’effets de pièges et des aspects de fiabilité des transistors de puissance GH50 pour des applications en bande C. Un protocole d’investigation des phénomènes de pièges est présenté, qui permet l’étude des dynamiques des effets de pièges du mode de fonctionnement DC au mode de fonctionnement radiofréquence, basé sur la combinaison des mesures IV impulsionnelles, des mesures de transitoires du courant de drain avec des impulsions DC et RF et des mesures de paramètres [S] en basse fréquence. Un modèle de HEMT AlGaN/GaN non-linéaire électrothermique est présenté, incluant un nouveau modèle thermique de pièges restituant le comportement dynamique de ces pièges et leurs variations en température afin de prédire correctement les performances en conditions réelles de fonctionnement RF. Enfin, une méthodologie temporelle pour l’évaluation de la fiabilité et de limites réelles d'utilisation de transistors dans l'amplificateur de puissance RF en régime d’overdrive (très forte compression), basée sur la mesure monitorée de Formes d'Onde Temporelles (FOT), est proposée. / GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) are promising candidates for future microwave equipment, such as new solid state power amplifiers (SSPAs), thanks to their excellent performance. A first demonstration of GaN-MMIC transmitter has been developed and put on board the PROBA-V mission. But this technology still suffers from the trapping phenomena, principally due to lattice defects. Thus, the aim of this research is to investigate the trapping effects and the reliability aspects of the GH50 power transistors for C-band applications. A new trap investigation protocol to obtain a complete overview of trap behavior from DC to radio-frequency operation modes, based on combined pulsed I/V measurements, DC and RF drain current measurements, and low-frequency dispersion measurements, is proposed. Furthermore, a nonlinear electro-thermal AlGaN/GaN model with a new additive thermal-trap model including the dynamic behavior of these trap states and their associated temperature variations is presented, in order to correctly predict the RF performance during real RF operating conditions. Finally, an advanced time-domain methodology is presented in order to investigate the device’s reliability and to determine its safe operating area. This methodology is based on the continual monitoring of the RF waveforms and DC parameters under overdrive conditions in order to assess the degradation of the transistor characteristics in the RF power amplifier.

Le problème de l'adaptation d'impédance en ingénierie des hyper fréquences et en électronique en général consiste à minimiser la réflexion de la puissance qui doit être transmise, par un générateur, à une charge donnée dans une bande de fréquence. Les exigences d'adaptation et de filtrage dans les systèmes de communication classiques sont généralement satisfaites en utilisant un circuit d'adaptation suivi d'un filtre. Nous proposons ici de concevoir des filtres d'adaptation qui intègrent à la fois les exigences d'adaptation et de filtrage dans un seul appareil et augmentent ainsi l'efficacité globale et la compacité du système. Dans ce travail, le problème d'adaptation est formulé en introduisant un problème d'optimisation convexe dans le cadre établi par la théorie de d'adaptation de Fano et Youla. De ce contexte, au moyen de techniques modernes de programmation semi-définies non linéaires, un problème convexe, et donc avec une optimalité garantie, est obtenu. Enfin, pour démontrer les avantages fournis par la théorie développée au-delà de la synthèse de filtres avec des charges complexes variables en fréquence, nous examinons deux applications pratiques récurrentes dans la conception de ce type de dispositifs. Ces applications correspondent, d'une part, à l'adaptation d'un réseau d'antennes dans le but de maximiser l'efficacité du rayonnement, et, d'autre part, à la synthèse de multiplexeurs où chacun des filtres de canal est adapté au reste du dispositif, notamment les filtres correspondant aux autres canaux. / The problem of impedance matching in electronics and particularly in RF engineering consists on minimising the reflection of the power that is to be transmitted, by a generator, to a given load within a frequency band. The matching and filtering requirements in classical communication systems are usually satisfied by using a matching circuit followed by a filter. We propose here to design matching filters that integrate both, matching and filtering requirements, in a single device and thereby increase the overall efficiency and compactness of the system. In this work, the matching problem is formulated by introducing convex optimisation on the framework established by the matching theory of Fano and Youla. As a result, by means of modern non-linear semi-definite programming techniques, a convex problem, and therefore with guaranteed optimality, is achieved. Finally, to demonstrate the advantages provided by the developed theory beyond the synthesis of filters with frequency varying loads, we consider two practical applications which are recurrent in the design of communication devices. These applications are, on the one hand, the matching of an array of antennas with the objective of maximizing the radiation efficiency, and on the other hand the synthesis of multiplexers where each of the channel filters is matched to the rest of the device, including the filters corresponding to the other channels.

Depuis son introduction en 1982, la carte auto-organisatrice de Kohonen (Self-Organizing Map : SOM) a prouvé ses capacités de classification et visualisation des données multidimensionnelles dans différents domaines d’application. Les implémentations matérielles de la carte SOM, en exploitant le taux de parallélisme élevé de l’algorithme de Kohonen, permettent d’augmenter les performances de ce modèle neuronal souvent au détriment de la flexibilité. D’autre part, la flexibilité est offerte par les implémentations logicielles qui quant à elles ne sont pas adaptées pour les applications temps réel à cause de leurs performances temporelles limitées. Dans cette thèse nous avons proposé une architecture matérielle distribuée, adaptable, flexible et extensible de la carte SOM à base de NoC dédiée pour une implantation matérielle sur FPGA. A base de cette approche, nous avons également proposé une architecture matérielle innovante d’une carte SOM à structure croissante au cours de la phase d’apprentissage / Since its introduction in 1982, Kohonen’s Self-Organizing Map (SOM) showed its ability to classify and visualize multidimensional data in various application fields. Hardware implementations of SOM, by exploiting the inherent parallelism of the Kohonen algorithm, allow to increase the overall performances of this neuronal network, often at the expense of the flexibility. On the other hand, the flexibility is offered by software implementations which on their side are not suited for real-time applications due to the limited time performances. In this thesis we proposed a distributed, adaptable, flexible and scalable hardware architecture of SOM based on Network-on-Chip (NoC) designed for FPGA implementation. Moreover, based on this approach we also proposed a novel hardware architecture of a growing SOM able to evolve its own structure during the learning phase

La capacité d’un émetteur radar à assurer la bonne détection des cibles mouvantes sans générer de fausses alertes dépend principalement de sa stabilité pulse à pulse qui est affectée par de nombreux facteurs tels que les effets mécaniques, thermiques et électriques. Cependant, la stabilité pulse à pulse d’un émetteur radar à impulsions est liée à celle de ses amplificateurs de puissance, et plus particulièrement à la technologie des dispositifs actifs. Dans ce sens, ce travail présente une analyse de ce critère radar au plus près du composant (au niveau d’un transistor HEMT GaN) dans le cas d’une rafale radar d’impulsions irrégulières. Un nouveau banc de mesure temporelle d’enveloppe 4-canaux à base de THA a été développé pour les besoins de mesure de stabilité pulse à pulse. Ce système de mesure permet aussi d’extraire la réponse temporelle de courant basse fréquence à des rafales irrégulières d’impulsions RF. Bien que cette configuration ait été initialement développée pour caractériser la spécification critique de la stabilité pulse à pulse pour les applications radar, elle a montré un énorme potentiel pour la modélisation des pièges lors des simulations temporelles d’enveloppe, en complément des différentes techniques de caractérisation des pièges (I-V impulsionnelle, dispersion basse-fréquence de l’admittance de sortie Y22). / The capability of a radar transmitter to ensure clutter rejection depends mainly on its pulse-to-pulse stability, which is affected by many factors such as mechanical, thermal, and electrical effects. However, the P2P stability of a pulsed radar transmitter is linked to that of its power amplifiers, and more specifically on the active device technology. In this context, thiswork presents the analysis of this radar criterion at device level (GaNHEMTtransistor) in the case of a radar burst of RF pulses. A new on-wafer time-domain envelope measurement setup based on a 4-channel THA receiver has been developed to characterize pulse-to-pulse stability and the low-frequency drain current. While this setup was originally developed to characterize the critical specification of pulse-to-pulse stability for radar applications, it demonstrated a great potential for trap modeling in addition to the different characterization techniques of traps (pulsed I-V, low-frequency dispersion of Y22).

Η μεταπτυχιακή αυτή εργασία μπορεί να χωριστεί σε δύο λογικά μέρη (Μέρος Α’ και Μέρος Β’). Το πρώτο μέρος αφορά τον έλεγχο ορθής λειτουργίας ψηφιακών κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας το μοντέλο των Μεταβατικών (Transient) σφαλμάτων και πιο συγκεκριμένα περιλαμβάνει την μελέτη για το μοντέλο, τρόπο λειτουργίας και την υλοποίηση ενός Εξομοιωτή Μεταβατικών Σφαλμάτων (Transition Faults Simulator). Ο εξομοιωτής σφαλμάτων αποτελεί το πιο σημαντικό μέρος της αλυσίδας εργαλείων που απαιτούνται για τον σχεδιασμό και εφαρμογή τεχνικών ελέγχου ορθής λειτουργίας και η ύπαρξη ενός τέτοιου εργαλείου επιτρέπει την μελέτη νέων τεχνικών ελέγχου κάνοντας χρήση του Μεταβατικού μοντέλου σφαλμάτων. Το δεύτερο μέρος της εργασίας συνοψίζει την μελέτη που πραγματοποιήθηκε για την δημιουργία ενός νέου αλγόριθμου επιλογής διανυσμάτων ελέγχου στην περίπτωση των Test Set Embedding τεχνικών ελέγχου. Ο αλγόριθμος επιτυγχάνει σημαντικές μειώσεις τόσο στον όγκο των απαιτούμενων δεδομένων που είναι απαραίτητο να αποθηκευτούν για την αναπαραγωγή του ελέγχου, σε σχέση με τις κλασικές προσεγγίσεις ελέγχου, όσο και στο μήκος των απαιτούμενων ακολουθιών ελέγχου που εφαρμόζονται στο υπό-έλεγχο κύκλωμα σε σχέση με προγενέστερους Test Set Embedding αλγορίθμους. Στο τέλος του μέρους Β’ προτείνεται μία αρχιτεκτονική για την υλοποίηση του αλγόριθμου σε Built-In Self-Test περιβάλλον ελέγχου ορθής λειτουργίας ακολουθούμενη από την εκτίμηση της απόδοσης αυτής και σύγκριση της με την καλύτερη ως τώρα προτεινόμενη αρχιτεκτονική που υπάρχει στην βιβλιογραφία (Βλέπε Παράρτημα Α). / The thesis consists of two basic parts that apply in the field of VLSI testing of integrated circuits. The first one concludes the work that has been done in the field of VLSI testing using the Transient Fault model and more specifically, analyzes the model and the implementation of a Transition Fault Simulator. The transient fault model moves beyond the scope of the simple stuck-at fault model that is mainly used in the literature, by introducing the concept of time and therefore enables the testing techniques to be more precise and closer to reality. Furthermore, a fault simulator is probably the most important part of the tool chain that is required for the design, implementation and study of vlsi testing techniques and therefore having such a tool available, enables the study of new testing techniques using the transient fault model. The second part of the thesis summaries the study that took place for a new technique that reduces the test sequences of reseeding-based schemes in the case of Test Set Embedding testing techniques. The proposed algorithm features significant reductions in both the volumes of test data that are required to be stored for the precise regeneration of the test sequences, and the length of test vector sequences that are applied on the circuit under test, in comparison to the classical proposed test techniques that are available in the literature. In addition to the algorithm, a low hardware overhead architecture for implementing the algorithm in Built-in Self-Test environment is presented for which the imposed hardware overhead is confined to just one extra bit per seed, plus one, very small, extra counter in the scheme’s control logic. In the end of the second part, the proposed architecture is compared with the best so far proposed architecture available in the literature (see Appendix A)

Les communications futures pour les applications civiles et militaires utilisent des signaux modulés complexes large bande qui seront émis à travers des amplificateurs de puissance multivoie de type DOHERTY qui devront avoir des performances en puissance, rendement, OBO et largeur de bande qui constituent aujourd’hui un véritable défi à relever. Pour ce faire les concepteurs ont besoin d’outils de caractérisation temporelle permettant la mesure normalisées et l’optimisation des tensions et courants aux accès des dispositifs non linéaires sous pointes ou connectorisés. Ce travail de thèse a permis de mettre en œuvre cet outil de caractérisation temporelle qui a été utilisé pour répondre à des besoins spécifiques pour la modélisation de transistor, pour l’optimisation de leur fonctionnement en termes de stabilité impulsion à impulsion, pour la recherche des conditions optimales de leur fonctionnement dans un amplificateur de type Doherty. Pour cette mise en œuvre une modélisation mathématique des échantillonneurs a été réalisée pour évaluer leurs performances et choisir le mieux adapté à la mesure temporelle RF. Des procédures d’étalonnages rigoureuses ont été développées pour obtenir simultanément des formes d’ondes temporelles calibrées à spectre très large (Basse fréquences jusqu’aux Hyperfréquences). / The future communications for civil and military applications will use complex wideband modulated signals to be transmitted through multi-channel DOHERTY power amplifiers which should have high performance in terms of power, efficiency, OBO, and bandwidth. In order to meet these stringent requirements, designers need time-domain characterization tools for calibrated measurements and for optimizing voltages and currents at both ports of non-linear connectorized or on-wafer devices. This work successfully implements time-domain characterization tools used to meet specific needs for transistor modeling, to optimize their operation in terms of pulse to pulse stability, and to search optimal conditions of their operation modes in a Doherty power amplifier. For this implementation, mathematical modeling is performed to evaluate sampler’s performances in terms of time-domain sampling efficiency in order to choose the best suited sampling architecture for RF time-domain measurements. Rigorous calibration procedures have been developed to obtain simultaneously full time-domain calibrated waveforms (from low Frequencies to Microwave frequencies).

Les travaux de cette thèse sont en rapport avec la caractérisation de cellules solaires organiques et se déclinent suivant 3 axes :- Dans le cadre du projet IMPCELPHOTOR, nous avons développé un banc de caractérisation LBIC/LBIV permettant de cartographier des dispositifs OPV afin de visualiser et d’identifier les défauts de fonctionnement.- Dans le cadre du projet Européen SPrinTronics, nous avons travaillé sur l’amélioration des électrodes. Pour l’électrode collectrice d’électrons, nous avons sélectionné, testé et validé des encres métalliques à base de nanoparticules d’argent compatibles avec l’impression jet d’encre et permettant de réaliser des dispositifs OPV fonctionnels. Pour l’électrode collectrice de trous, nous avons testé des encres à base de nanofils d’argent et de nanotubes de carbone afin de remplacer l’ITO. Des résultats satisfaisants ont été obtenus avec une encre à base de nanofils d’argent. Cette dernière permet de réaliser des cellules semi-transparentes fonctionnelles sur verre et sur plastique. - Un travail sur l’aspect couleur d’un dispositif OPV a été mené au sein du projet PHASME. Nous avons mis en œuvre différentes techniques afin de modifier la couleur d’un dispositif OPV sans détruire ses performances photovoltaïques, le but étant de réaliser des modules polychromes. Nous avons développé simultanément un logiciel de colorimétrie permettant de contrôler et de prévoir le rendu de couleur dû à l’ajout de filtre coloré sur le dispositif OPV. / The work of this thesis is related to the characterization of organic solar cells and is structured in three independant parts :- Within the IMPCELPHOTOR project, we developed an experimental bench based on LBIC/ LBIV mapping, in order to visualize and identify defects within OPV device and modules.- Within the European SPrinTronics project, we worked on the improvement of OPV electrodes. For the top electrode, we selected, tested, and validated metallic inks based on silver nanoparticles compatible with inkjet printing. For the bottom electrode, we tested silver nanowires and carbon nanotubes inks to replace ITO. Satisfactory results have been obtained with an ink based on silver nanowires, which allowed us to obtain functional semi-transparent cells on glass and plastic.- Within the PHASME project, we worked on the visual aspect of a coloured OPV device. We implemented various strategies to change the color of an OPV device without altering its photovoltaic performance, the aim being to achieve full color modules. Simultaneously, we developed a colorimetric software to control and predict the color rendering on the final device (OPV plus filter).

Ce travail présente le développement d’un banc de mesure thermique, pour la mesure : de réseaux I (V), d’impédance basse fréquence et de bruit basse fréquence des composants semi-conducteurs. Le banc de mesure de bruit BF est composé d’un amplificateur de tension faible bruit, d’un amplificateur transimpédance, d’un analyseur FFT et d’un support thermique. Ce banc a permis d’extraire les sources de bruit en courants équivalentes aux accès du transistor pour différentes densités de courant et à différentes températures. Dans le but de calculer l’énergie d’activation et la section de capture des pièges grâce à la localisation des fréquences de coupures de bruit GR dans la technologie du TBH InGaP/GaAs. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le bruit basse fréquence dans le transistor InGaP/GaAs et les jonctions base émetteur, base collecteur et la résistance TLM par le moyen de simulation physique et de mesure de densité spectrale de puissance de bruit basse fréquence. Grâce à ces mesures, nous avons pu extraire les sources de bruit internes locales commandées et non commandées. Cette extraction nous a permis de calculer les énergies d’activations, les sections de capture et de valider la simulation physique. / This work presents the development of a thermal test bench for I(V) characteristics, for low frequency impedance and for low frequency noise of semiconductor components. This thermal bench for low frequency noise measurement is composed of a low-noise voltage amplifier, a low-noise transimpedance amplifier, an FFT vector signal analyzer and a thermal chuck. This measurement bench has allowed to extract the current noise sources equivalent to the access transistor at different current densities and at different temperatures. In order to calculate the activation energy and the capture cross section of traps thanks to the localization of the cutoff frequency of GR noise in HBT InGaP / GaAs technology. Secondly, we studied the low frequency noise in the transistor InGaP / GaAs and the differents junctions: emitter base, collector base and the base represented by the TLM resistance using physical simulations and measurements of low-frequency noise power spectrum density. Using this measurements, we extract the controlled and not controlled local internal noise sources. The extraction has allowed us to calculate the activation energy, the capture cross sections and validate the physical simulation.