Les systèmes interactifs étant utilisés pour réaliser des tâches toujours plus complexes et variées, les utilisateurs ont besoin de systèmes qui soient à la fois expressifs, efficaces et utilisables. Si des systèmes simples peuvent être instantanément utilisables, l’expressivité accessible avec des systèmes complexes est souvent considérée comme réservée aux experts. Cependant, notre approche, inspirée par la recherche en phénoménologie et en psychologie, souligne que certaines activités expertes ayant une portée sociale, comme les activités artistiques, permettent aussi aux non-experts d’acquérir des compétences et une connaissance considérables de façon implicite. Dans ce manuscrit, nous évoquerons notamment la connaissance et les compétences avancées développées par les non-musiciens lors de l’écoute de la musique et de l’observation du jeu instrumental. Nous défendons deux idées. Premièrement, les concepteurs de systèmes interactifs peuvent profiter de ces compétences et de cette connaissance implicites pour créer des systèmes expressifs qui soient utilisables. Deuxièmement, les méthodes d'apprentissage expertes et les outils experts, qui ont été perfectionnés à travers le temps et ont fait leurs preuves dans des situations complexes, peuvent servir de sources d'inspiration pour améliorer l’utilisabilité des systèmes complexes pour les utilisateurs novices. Nous proposons un cadre de conception pour étudier l'utilisabilité et l'expressivité des techniques d'interaction, comme deux nouvelles mesures de la qualité de l'interaction, et présentons les trois projets de cette thèse. Dans le premier, nous étudions l'utilisation de motifs rythmiques pour l'interaction, et nous montrons que des utilisateurs novices sont capables de reproduire et de mémoriser efficacement de grands vocabulaires de motifs rythmiques. Une telle interaction tire parti des capacités naturelles des non-musiciens pour percevoir et reproduire des structures rythmiques. Nous définissons des règles pour créer des motifs rythmiques adaptés à l’interaction, et montrons qu’ils peuvent être utilisés efficacement pour déclencher des commandes. Dans le deuxième projet, nous étudions la conception et l’apprentissage de postures multi-doigt sur des écrans multi-tactiles. Nous prenons en compte les contraintes mécaniques et les degrés de liberté de la main pour créer des vocabulaires expressifs de postures multi-doigt, dont nous évaluons l’utilisabilité lors d’une expérimentation. Nous présentons une méthode d’apprentissage adaptée aux postures les plus complexes, inspirée par l’apprentissage des accords en musique, et nous montrons qu’elle peut améliorer la compréhension et la mémorisation. Dans le dernier projet, nous nous intéressons aux applications de création musicale en temps réel, et tentons de les faire profiter des qualités instrumentales des instruments acoustiques. Nous voulons créer des applications qui permettent un jeu virtuose et expressif, et dont les fonctionnalités élémentaires sont accessibles aux novices (comme on peut jouer quelques accords au piano sans apprentissage). Nous proposons un cadre de conception et une architecture logicielle qui aident à considérer la conception d’applications musicales comme une lutherie à part entière. Avec ces projets, nous montrons que, dans ces cas : (i) la connaissance et les compétences implicites des non-experts peuvent être réutilisées en interaction ; (ii) les méthodes d’apprentissage expertes peuvent permettre de rendre les systèmes expressifs plus utilisables ; (iii) s’inspirer des outils experts peut aider à concevoir des systèmes interactifs expressifs et utilisables. Nous proposons l’étude de l’utilisabilité comme une alternative à l’immédiateté prônée par les entreprises d’informatique, et nous présentons des méthodes pour tirer parti de la richesse des activités expertes et de la connaissance implicite des non-experts pour créer des systèmes interactifs expressifs et utilisables par les novices. / As interactive systems are now used to perform a variety of complex tasks, users need systems that are at the same time expressive, efficient and usable. Although simple interactive systems can be easily usable, interaction designers often consider that only expert practitioners can benefit from the expressiveness of more complex systems. Our approach, inspired by studies in phenomenology and psychology, underscores that non-experts have sizeable knowledge and advanced skills related to various expert activities having a social dimension –such as artistic activities–, which they gain implicitly through their engagement as perceivers. For example, we identify various music-related skills mastered by non-musicians, which they gain when listening to music or attending performances. We have two main arguments. First, interaction designers can reuse such implicit knowledge and skills to design interaction techniques that are both expressive and usable by novice users. Second, as expert artifacts and expert learning methods have evolved over time and have shown efficient to overcome the complexity of expert activities, they can be used as a source of inspiration to make expressive systems more easily usable by novice users. We provide a design framework for studying the usability and expressiveness of interaction techniques as two new aspects of the user experience, and explore this framework with three projects. In the first project we study the use of rhythmic patterns as an input method, and show that novice users are able to reproduce and memorize large vocabularies of patterns. This is made possible by the natural abilities of non-musicians to perceive, reproduce and make sense of rhythmic structures. We define a method to create expressive vocabularies of patterns, and show that novice users are able to efficiently use them as command triggers. In the second project, we study the design and learning of chording gestures on multitouch screens. We introduce design guidelines to create expressive chord vocabularies taking the mechanical constraints and the degrees of freedom of the human hand into account. We evaluate the usability of such gestures in an experiment and we present an adapted learning method inspired by the teaching of chords in music. We show that novice users are able to reproduce and memorize our vocabularies of chording gestures, while our learning method can improve long-term memorization. The final project focuses on music software used for live performances and proposes a framework for designing “instrumental” software allowing expert musical playing and having its elementary functionalities accessible to novices, as it is the case with acoustic instruments (for example, one can easily play a few chords on a piano without practice). We define a design framework inspired by a functional decomposition of acoustic instruments and present an adapted software architecture, both aiming to ease the design of such software and to make it match with instrument-making. These projects show that, in these cases: (i) the implicit knowledge novices have about some expert activities can be reused for interaction; (ii) expert learning methods can inspire ways to make expressive systems more usable novices; (iii) taking expert artifacts as a source of inspiration can help creating usable and expressive interactive systems. In this dissertation, we propose the study of usability as an alternative to the focus on immediacy that characterizes current commercial interactive systems. We also propose methods to benefit from the richness of expert activities and from the implicit knowledge of non-experts to design interactive systems that are at the same time expressive and usable by novice users.

Ce travail concerne les transistors bipolaires à hétérogène TBH SiGe. En particulier, l'auto-échauffement des transistors unitaires et le couplage thermique avec leurs plus proches voisins périphériques sont caractérisés et modélisés. La rétroaction électrothermique intra- et inter-transistor est largement étudiée. En outre, l’impact des effets thermiques sur la performance de deux circuits analogiques est évalué. L'effet d'autoéchauffement est évalué par des mesures à basse fréquence et des mesures impulsionnelles DC et AC. L'auto-échauffement est diminué de manière significative en utilisant des petites largeurs d'impulsion. Ainsi la dépendance fréquentielle de l’autoéchauffementa été étudiée en utilisant les paramètres H et Y. De nouvelles structures de test ont été fabriqués pour mesurer l'effet de couplage. Les facteurs de couplage thermique ont été extraits à partir de mesures ainsi que par simulations thermiques 3D. Les résultats montrent que le couplage des dispositifs intra est très prononcé. Un nouvel élément du modèle de résistance thermique récursive ainsi que le modèle de couplage thermique a été inclus dans un simulateur de circuit commercial. Une simulation transitoire entièrement couplée d'un oscillateur en anneau de 218 transistors a été effectuée. Ainsi, un retard de porte record de 1.65ps est démontré. À la connaissance des auteurs, c'est le résultat le plus rapide pour une technologie bipolaire. Le rendement thermique d'un amplificateur de puissance à 60GHz réalisé avec un réseau multi-transistor ou avec un transistor à plusieurs doigts est évalué. La performance électrique du transistor multidoigt est dégradée en raison de l'effet de couplage thermique important entre les doigts de l'émetteur. Un bon accord est constaté entre les mesures et les simulations des circuits en utilisant des modèles de transistors avec le réseau de couplage thermique. Enfin, les perspectives sur l'utilisation des résultats sont données. / The power generate by modern silicon germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) can produce large thermal gradients across the silicon substrate. The device opering temperature modifies model parameters and can significantly affect circuit operation. This work characterizes and models self-heating and thermal coupling in SiGe HBTs. The self-heating effect is evaluated with low frequency and pulsed measurements. A novel pulse measurement system is presented that allows isothermal DC and RF measurements with 100ns pulses. Electrothermal intra- and inter-device feedback is extensively studied and the impact on the performance of two analog circuits is evaluated. Novel test structures are designed and fabricated to measure thermal coupling between single transistors (inter-device) as well as between the emitter stripes of a multi-finger transistor (intra-device). Thermal coupling factors are extracted from measurements and from 3D thermal simulations. Thermally coupled simulations of a ring oscillator (RO) with 218 transistors and of a 60GHz power amplifier (PA) are carried out. Current mode logic (CML) ROs are designed and measured. Layout optimizations lead to record gate delay of 1.65ps. The thermal performance of a 60GHz power amplifier is compared when realized with a multi-transistor array (MTA) and with a multi-finger trasistor (MFT). Finally, perspectives of this work within a CAD based circuit design environment are discussed.

Ce travail de thèse présente une étude concernant la caractérisation des effets électrothermiques dans les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) en SiGe. Lors de ces travaux, deux procédés technologiques BiCMOS à l’état de l’art ont été analysés: le B11HFC de Infineon Technologies (130nm) et le B55 de STMicroelectronics (55nm).Des structures de test dédiées ont étés conçues, pour évaluer l’impact électrothermique du back end of line (BEOL) de composants ayant une architecture à un ou plusieurs doigts d’émetteur. Une caractérisation complète a été effectuée en régime continu et en mode alternatif en petit et en grand signal. De plus, une extraction des paramètres thermiques statiques et dynamiques a été réalisée et présentée pour les structures de test proposées. Il est démontré que les figures de mérite DC et RF s’améliorent sensiblement en positionnant des couches de métal sur le transistor, dessinées de manière innovante et ayant pour fonction de guider le flux thermique vers l’extérieur. L’impact thermique du BEOL a été modélisé et vérifié expérimentalement dans le domaine temporel et fréquentiel et aussi grâce à des simulations 3D par éléments finis. Il est à noter que l’effet du profil de dopage sur la conductivité thermique est analysé et pris en compte.Des topologies de transistor innovantes ont étés conçues, permettant une amélioration des spécifications de l’aire de sécurité de fonctionnement, grâce à un dessin innovant de la surface d’émetteur et du deep trench (DTI).Un modèle compact est proposé pour simuler les effets de couplage thermique en dynamique entre les émetteurs des HBT multi-doigts; ensuite le modèle est validé avec de mesures dédiées et des simulations TCAD.Des circuits de test ont étés conçus et mesurés, pour vérifier la précision des modèles compacts utilisés dans les simulateurs de circuits; de plus, l’impact du couplage thermique entre les transistors sur les performances des circuits a été évalué et modélisé. Finalement, l’impact du dissipateur thermique positionné sur le transistor a été étudié au niveau circuit, montrant un réel intérêt de cette approche. / This work is focused on the characterization of electro-thermal effects in advanced SiGe hetero-junction bipolar transistors (HBTs); two state of the art BiCMOS processes have been analyzed: the B11HFC from Infineon Technologies (130nm) and the B55 from STMicroelectronics (55nm).Special test structures have been designed, in order to evaluate the overall electro-thermal impact of the back end of line (BEOL) in single finger and multi-finger components. A complete DC and RF electrical characterization at small and large signal, as well as the extraction of the device static and dynamic thermal parameters are performed on the proposed test structures, showing a sensible improvement of the DC and RF figures of merit when metal dummies are added upon the transistor. The thermal impact of the BEOL has been modeled and experimentally verified in the time and frequency domain and by means of 3D TCAD simulations, in which the effect of the doping profile on the thermal conductivity is analyzed and taken into account.Innovative multi-finger transistor topologies are designed, which allow an improvement of the SOA specifications, thanks to a careful design of the drawn emitter area and of the deep trench isolation (DTI) enclosed area.A compact thermal model is proposed for taking into account the mutual thermal coupling between the emitter stripes of multi-finger HBTs in dynamic operation and is validated upon dedicated pulsed measurements and TCAD simulations.Specially designed circuit blocks have been realized and measured, in order to verify the accuracy of device compact models in electrical circuit simulators; moreover the impact on the circuit performances of mutual thermal coupling among neighboring transistors and the presence of BEOL metal dummies is evaluated and modeled.