Il existe une multitude d’applications où la détection de très faibles niveaux lumineux (jusqu’à quelques photons, voir le photon unique) est une partie clé de la mesure dans des domaines tels que l’imagerie médicale, l’astrophysique. Jusqu’à un passé récent, le seul composant permettant de détecter des niveaux aussi bas que le photon unique était le photomultiplicateur. Ce composant est volumineux, fragile, nécessite l’utilisation de hautes tensions et possède une résolution spatiale faible. Depuis quelques années, la faisabilité de photodétecteurs à photons uniques connus sous l’acronyme de SPAD (pour Single-Photon Avalanche Diode) dans un procédé de fabrication CMOS standard a été démontrée. Ces avancées permettent de réaliser des imageurs de haute résolution et grande sensibilité. Le travail dans cette thèse démarre par la compréhension du comportement de l’élément photosensible (le SPAD) pour finir par la conception du circuit de lecture associé au SPAD. Le deuxième axe de travail proposé dans cette thèse est un modèle haut niveau du SPAD suivi par son circuit de lecture. Le troisième axe propose une nouvelle architecture de lecture qui vise l’amélioration de la dynamique globale. Finalement, dans le dernier chapitre on propose une réalisation électrique CMOS du circuit à dynamique élevée. / A number of vision applications (medical imaging, astrophysics, …) require the detection of very low ligh levels (up to a few photons, or the single photon). Until recently, only one component can detect levels as low as the single photon: the photomultiplier. In recent years, it has been demonstrated the feasibility of designing avalanche diode using CMOS standard process. These advances allow to achieve high-resolution imaging and high sen-sitivity. The work in this thesis starts by the study of the behavior of the photon sensing element (SPAD) and finish by the design of the radout circuit of single photon avalanche photodiode. The second point of the work proposed in this thesis is a high-level model of SPAD followed by its readout circuit based on an anolg counter. The third line offers a novel readout method to enhance the readout dynamic range of pixel based on single photon avalanche photodiode. Finaly, A new readout circuit is proposed for SPAD based pixel. This readout circuit which is inspired from the simulated architectures will allow us to achieve our analog counter with the best performance.

Être en mesure de vérifier si un circuit intégré est fonctionnel après fabrication peut s'avérer très difficile. Dans le cas des circuits analogiques et Radio Fréquence (RF) les procédures et les équipements de test nécessaires ont un impact majeur sur le prix de revient des circuits. Une approche intéressante pour réduire l'impact du coût du test consiste à mesurer des paramètres nécessitant des ressources de test faible coût et corréler ces mesures, dites mesures indirectes, avec les spécifications à tester. On parle alors de technique de test indirect (ou test alternatif) car il n'y a pas de mesure directe des spécifications, qui nécessiterait des équipements et du temps de test importants, mais ces spécifications sont estimées à partir des mesures « faibles couts ». Même si cette approche semble attractive elle n'est viable que si nous sommes en mesure d'établir une précision suffisante de l'estimation des performances et que cette estimation reste stable et indépendante des lots de circuits à traiter. L'objectif principal de cette thèse est de mettre en œuvre une stratégie générique permettant de proposer un flot de test indirect efficace et robuste. Pour être en mesure de construire cette stratégie nous avons amenés différentes contributions. Dans un premier temps, on a développée une nouvelle métrique dans cette thèse pour évaluer la robustesse des prédictions relaissées. Dans un deuxième temps, on a défini et analysé une stratégie pour la construction d'un model optimal. Cette dernière englobe un prétraitement de données ensuite une analyse comparative entre différentes méthodes de sélections de mesures indirectes aussi l'étude d'autres paramètres tels que la taille des combinaisons de mesures indirectes ainsi que celle de la taille de set d'apprentissage. Aussi on a proposé une stratégie pour une confidente exploration d'espace de mesures indirectes afin de construire plusieurs meilleurs modèles qu'on peut se servir par la suite pour résoudre des problèmes de confiance et d'optimisation. Les études comparatives réalisées ont été effectuées sur 2 cas d'études expérimentaux et à partir de métriques classiques et de la nouvelle métrique proposée permettant ainsi d'évaluer objectivement la robustesse de chaque solution.En fin, nous avons développé une stratégie complète mettant en œuvre des techniques de redondance de modèles de corrélation qui permettent d'améliorer grandement la robustesse et l'efficacité de la prise de décision en fonction des mesures obtenues. Cette stratégie est adaptable à n'importe quel contexte en termes de compromis entre le coût du test et le niveau de confiance et de précision attendu. / Being able to check whether an IC is functional or not after the manufacturing process is very difficult. Particularly for analog and Radio Frequency (RF) circuits, test equipment and procedures required have a major impact on the circuits cost. An interesting approach to reduce the impact of the test cost is to measure parameters requiring low cost test resources and correlate these measurements, called indirect measurements, with the targeted specifications. This is known as indirect test technique because there is no direct measurement for these specifications, which requires so expensive test equipment and an important testing time, but these specifications are estimated w.r.t "low-cost measurements". While this approach seems attractive, it is only viable if we are able to establish a sufficient accuracy for the performance estimation and if this estimation remains stable and independent from the circuits sets under test.The main goal of this thesis is to implement a robust and effective indirect test strategy for a given application and to improve test decisions based on data analysis.To be able to build this strategy, we have brought various contributions. Initially, we have defined new metric developed in this thesis to assess the reliability of the estimated performances. Secondly, we have analyzed and defined a strategy for the construction of an optimal model. This latter includes a data preprocessing followed by a comparative analysis of different methods of indirect measurement selection. Then, we have proposed a strategy for a confidant exploration of the indirect measurement space in order to build several best models that can be used later to solve trust and optimization issues. Comparative studies were performed on 2 experimental data sets by using both of the conventional and the developed metrics to evaluate the robustness of each solution in an objective way.Finally, we have developed a comprehensive strategy based on an efficient implementation of the redundancy techniques w.r.t to the build models. This strategy has greatly improved the robustness and the effectiveness of the decision plan based on the obtained measurements. This strategy is adaptable to any context in terms of compromise between the test cost, the confidence level and the expected precision.

La part dû au test dans le coût de conception et de fabrication des circuits intégrés ne cesse de croître, d'où la nécessité d'optimiser cette étape devenue incontournable. Dans cette thèse, de nouvelles méthodes d'ordonnancement et de réduction du nombre de tests à effectuer sont proposées. La solution est un ordre des tests permettant de détecter au plus tôt les circuits défectueux, qui pourra aussi être utilisé pour éliminer les tests redondants. Ces méthodes de test sont basées sur la modélisation statistique du circuit sous test. Cette modélisation inclus plusieurs modèles paramétriques et non paramétrique permettant de s'adapté à tous les types de circuit. Une fois le modèle validé, les méthodes de test proposées génèrent un grand échantillon contenant des circuits défectueux. Ces derniers permettent une meilleure estimation des métriques de test, en particulier le taux de défauts. Sur la base de cette erreur, un ordonnancement des tests est construit en maximisant la détection des circuits défectueux au plus tôt. Avec peu de tests, la méthode de sélection et d'évaluation est utilisée pour obtenir l'ordre optimal des tests. Toutefois, avec des circuits contenant un grand nombre de tests, des heuristiques comme la méthode de décomposition, les algorithmes génétiques ou les méthodes de la recherche flottante sont utilisées pour approcher la solution optimale.

Cette thèse a pour objectif de contribuer à la caractérisation et à la modélisation des transistors organiques en couches minces ou OTFTs (Organic Thin Film Transistors). Elle s’est déroulée en partenariat avec le CEA-LITEN qui dispose d'une technologie imprimée ayant démontré sa fonctionnalité à plusieurs reprises. Le but de ce travail est d'abord de comprendre le fonctionnement des transistors organiques afin de déterminer l'impact des paramètres technologiques sur les caractéristiques électriques. Ceci est fait en utilisant une approche par simulation grâce aux paramètres extraits à partir de la mesure. La dépendance en géométrie et en température des paramètres du transistor est observée et étudiée afin de proposer un modèle valide prenant en compte ces variations. Le modèle doit être intégrable dans les flots de conception classiques de la microélectronique (Cadence, Eldo, ADS, etc…). Des modèles de dispersion sont présentés et par la suite utilisés pour la simulation et la réalisation de circuits analogiques organiques. / This thesis focuses on a contribution of organic thin film transistors (OTFTs) characterization and modeling. It takes place in partnership with CEA-LITEN, which has a printed technology. This technology has demonstrated its functionality repeatedly. The goal is to first understand in depth the functioning of the organic transistors to determine the impact of technological parameters on electrical characteristics. This is done using a simulation approach using the parameters extracted from the measurements. The geometry and temperature dependences of the transistor parameters are observed and studied in order to provide a valid model for a wide range of geometry and temperature. The proposed model should respect the following constraints: an integrability in conventional design tools (Cadence, Eldo, ADS, etc...) and must also include a dispersion model. This model is subsequently used to produce blocks of analog circuits.

Les outils informatiques prennent une place de plus en plus importante dans la conception de circuits VLSI. Les langages de description de matériel constituent l'interface entre ces outils et les utilisateurs. Parmi ceux-ci, il existe un standard qui est VHDL, destiné à la description de systèmes numériques. Actuellement une extension analogique est en cours de normalisation. Les deux premiers chapitres de cette thèse sont consacrés l'un aux langages de description de matériel et à une présentation de VHDL, ainsi que des remarques et analyses à propos de son extension analogique. Le second thème de cette thèse est la mise en évidence de l'importance de la simulation en mode mixte numérique-analogique. Le troisième chapitre présente les principes généraux de la simulation mixte; différentes implémentations de simulateurs mixtes sont présentés. Enfin, le dernier chapitre est consacré à la réalisation d'un simulateur mixte dont la partie numérique est un simulateur VHDL. Cette réalisation repose sur une approche de description qui permet d'utiliser la souplesse de description structurelle de VHDL pour des systèmes analogiques et mixtes

La part dû au test dans le coût de conception et de fabrication des circuits intégrés ne cesse de croître, d'où la nécessité d'optimiser cette étape devenue incontournable. Dans cette thèse, de nouvelles méthodes d'ordonnancement et de réduction du nombre de tests à effectuer sont proposées. La solution est un ordre des tests permettant de détecter au plus tôt les circuits défectueux, qui pourra aussi être utilisé pour éliminer les tests redondants. Ces méthodes de test sont basées sur la modélisation statistique du circuit sous test. Cette modélisation inclus plusieurs modèles paramétriques et non paramétrique permettant de s'adapté à tous les types de circuit. Une fois le modèle validé, les méthodes de test proposées génèrent un grand échantillon contenant des circuits défectueux. Ces derniers permettent une meilleure estimation des métriques de test, en particulier le taux de défauts. Sur la base de cette erreur, un ordonnancement des tests est construit en maximisant la détection des circuits défectueux au plus tôt. Avec peu de tests, la méthode de sélection et d'évaluation est utilisée pour obtenir l'ordre optimal des tests. Toutefois, avec des circuits contenant un grand nombre de tests, des heuristiques comme la méthode de décomposition, les algorithmes génétiques ou les méthodes de la recherche flottante sont utilisées pour approcher la solution optimale.

La part dû au test dans le coût de conception et de fabrication des circuits intégrés ne cesse de croître, d'où la nécessité d'optimiser cette étape devenue incontournable. Dans cette thèse, de nouvelles méthodes d'ordonnancement et de réduction du nombre de tests à effectuer sont proposées. La solution est un ordre des tests permettant de détecter au plus tôt les circuits défectueux, qui pourra aussi être utilisé pour éliminer les tests redondants. Ces méthodes de test sont basées sur la modélisation statistique du circuit sous test. Cette modélisation inclus plusieurs modèles paramétriques et non paramétrique permettant de s'adapté à tous les types de circuit. Une fois le modèle validé, les méthodes de test proposées génèrent un grand échantillon contenant des circuits défectueux. Ces derniers permettent une meilleure estimation des métriques de test, en particulier le taux de défauts. Sur la base de cette erreur, un ordonnancement des tests est construit en maximisant la détection des circuits défectueux au plus tôt. Avec peu de tests, la méthode de sélection et d'évaluation est utilisée pour obtenir l'ordre optimal des tests. Toutefois, avec des circuits contenant un grand nombre de tests, des heuristiques comme la méthode de décomposition, les algorithmes génétiques ou les méthodes de la recherche flottante sont utilisées pour approcher la solution optimale. / The share of test in the cost of design and manufacture of integrated circuits continues to grow, hence the need to optimize this step. In this thesis, new methods of test scheduling and reducing the number of tests are proposed. The solution is a sequence of tests for early identification of faulty circuits, which can also be used to eliminate redundant tests. These test methods are based on statistical modeling of the circuit under test. This model included several parametric and non-parametric models to adapt to all types of circuit. Once the model is validated, the suggested test methods generate a large sample containing defective circuits. These allow a better estimation of test metrics, particularly the defect level. Based on this error, a test scheduling is constructed by maximizing the detection of faulty circuits. With few tests, the Branch and Bound method is used to obtain the optimal order of tests. However, with circuits containing a large number of tests, heuristics such as decomposition method, genetic algorithms or floating search methods are used to approach the optimal solution.

A la différence de la conception numérique, la conception analogique souffre d’un réel retard au niveau de la solution logicielle qui permet une conception à la fois rapide et fiable. Le dimensionnement de circuits analogiques exige en effet un nombre assez élevé de simulations et de vérifications et dépend beaucoup de l’expertise du concepteur. Pour pallier à ce retard, des outils de conception automatique basés sur des algorithmes d’optimisation locale et globale sont développés. Ces outils restent encore immatures car ils n’offrent que des réponses partielles aux questions du dimensionnement, alors que l’obtention d’un dimensionnement optimal d’un circuit analogique en un temps raisonnable reste toujours un enjeu majeur. La réduction du temps de conception de circuits analogiques intégrés nécessite la mise en place de méthodologies permettant une conception systématique et automatisable sur certaines étapes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons travaillé suivant trois approches. Il s’agit d’abord de l’approche méthodologique. A ce niveau nous préconisons une approche hiérarchique descendante « top-down ». Cette dernière consiste à partitionner le système à dimensionner en sous blocs de fonctions élémentaires dont les spécifications sont directement héritées des spécifications du niveau système. Ensuite, nous avons cherché à réduire le temps de conception à travers l’exploration de solutions optimales à l’aide des algorithmes hybrides. Nous avons cherché à profiter de la rapidité de la recherche globale et de la précision de la recherche locale. L’intérêt des algorithmes de recherche hybride réside dans le fait qu’ils permettent d’effectuer une exploration efficace de l’espace de conception du circuit sans avoir besoin d’une connaissance préalable d’un dimensionnement initial. Ce qui peut être très intéressant pour un concepteur débutant. Enfin, nous avons travaillé sur l’accélération du temps des simulations en proposant l’utilisation des méta-modèles. Ceux-ci présentent un temps de simulation beaucoup plus réduit que celui des simulations des modèles électriques. Les méta-modèles sont obtenus automatiquement depuis une extraction des résultats des simulations électriques. / Contrary to digital design, analog design suffers from a real delay in the software solution that enables fast and reliable design. In this PhD, three approaches are proposed. The first is the methodological approach. At this level we recommend a "top-down" hierarchical approach. It consists of partitioning the system to size into sub-blocks of elementary functions whose specifications are directly inherited from the system level specification. Next, we aimed to reduce design time through the exploration of optimal solutions using hybrid algorithms. We attempted to take advantage of the rapid global search and local search accuracy. The interest of hybrid search algorithms is that they allow to conduct effective exploration of the design space of the circuit without the need for prior knowledge of an initial design. This can be very useful for a beginner designer. Finally, we worked on the acceleration of time simulations proposing the use of meta-models which present a more reduced time than electrical simulation models. Meta-models are obtained automatically from extracting results of electrical simulations.