Ce mémoire de thèse traite de l'étude de la sensibilité des composants électroniques avancés en milieu radiatif. Le travail porte sur la modélisation détaillée du dépôt d'énergie induit par un ion lourd dans la matière, et sur l'influence de la prise en compte de cette trace d'ion dans les outils de simulation de la réponse de composants irradiés. Dans ce but, nous avons développé une chaîne de simulation, combinant différents codes de calcul à des échelles variées. Dans une première étape, le code d'interactions particule-matière Geant4 est ainsi utilisé pour modéliser la trace d'ion. Ces traces sont ensuite implémentées dans un code de simulation TCAD, afin d'étudier la réponse de transistors élémentaires à ces dépôts d'énergies détaillés. Cette étape est complétée par des mesures expérimentales. Enfin, l'étude est étendue au niveau circuit, en interfaçant les traces d'ions avec un outil de prédiction des SEE. Ces différentes étapes mettent en évidence la nécessité de prendre en compte la dimension radiale de la trace d'ion à tous les niveaux de simulation, pour modéliser de façon adéquate la réponse de composants avancés sous irradiation par des ions lourds.

L'électronique associée aux détecteurs de particules du grand collisionneur d'hadrons (LHC), en construction au CERN, fonctionnera dans un environnement très radioactif. La plupart des composants microélectroniques développés pour la première génération des expériences du LHC ont été conçues avec des buts spécifiques et très précis, non adaptables pour d'autres applications. Les composants commerciaux ne peuvent pas être employés en proximité du point de collision des particules, car ils ne sont pas tolérants aux radiations. Cette thèse contribue à couvrir le besoin en composants programmables résistants aux rayonnements et aux alea logiques pour les expériences de physique des hautes énergies. Dans ce sens, deux composants sont en cours de développement : un dispositif logique programmable (PLD) et un réseau de portes programmables in-situ (FPGA). Ce travail s'est concentré également sur la recherche d'un registre résistant aux alea logiques dans les deux technologies mentionnées. Le registre est utilisé comme bascule pour les données d'utilisateur dans le FPGA et le PLD, mais aussi comme cellule de configuration dans le FPGA.

Le risque potentiel de cancer induit par les irradiations mammographiques est sujet de santé publique majeur, d’intérêt médical et scientifique. Le but de ce travail a été de quantifier les cassures double-brin (CDB) de l’ADN en conditions exactes d’irradiations mammographiques. Cette quantification a été effectuée sur des cellules épithéliales mammaires non transformées issues de biopsies échoguidées en tissu sain en utilisant l’immunofluorescence de la protéine histone H2AX phosphorylée (γH2AX), avant, 10 min et 24 h après irradiation . Deux populations de patientes ont été incluses dans l’étude 19 sans antécédent familial de cancer du sein et/ou de l’ovaire (faible risque, FR) et 11 à haut risque identifié par le généticien avec ou sans mutation (haut risque, HR). En effet, les gènes mutés suppresseurs de tumeurs (BRCA1, BRCA2, CHK2, ATM, p53, PTEN) sont également impliqués dans la signalisation et/ou réparation des CDB. Spontanément, les patientes HR ont montré significativement plus de CDB spontanées que les LR. Trois effets radiobiologiques majeurs ont été mis en évidence : 1) Un effet de la dose, plus important chez les HR ; 2) Une augmentation significative du nombre de foci γH2AX entre 10 min et 24 h après irradiation ; 3) Un effet de répétition de dose, plus marqué chez les HR. Ces constatations devraient conduire à la ré-évaluation des séquences de dépistages mammographiques dans les populations où le bénéfice en terme de mortalité n’a pas été prouvé, comme dans la tranche d’âge des 40-49 ans et dans la surveillance des patientes où sont recommandées de façon annuelle IRM et mammographie dès l’âge de 30 ans ou 35 ans, les hauts risques et les femmes aux antécédents d’irradiation thoracique dans l’enfance, l’adolescence ou jeune adulte. Une seule incidence mammographique en dépistage pourrait être préconisée en dépistage dans l’attente de travaux radiobiologiques complémentaires évaluant la carcinogenèse éventuelle des irradiations mammographiques / The potential risk of cancer induced by radiation mammography is a major public health issue, medical and scientific interest. The purpose of this study was to quantify the double-strand break (DSB) DNA in exact terms of mammographic radiation. This quantification was performed on untransformed mammary epithelial cells from ultrasound-guided biopsies in healthy tissue using fluorescent protein phosphorylated histone H2AX (γH2AX) before, 10 min and 24 h after irradiation. Two patient populations were included in the study : 19 with no family history of breast cancer and/or ovarian cancer (low risk, LR) and 11 high-risk identified by the geneticist with or without mutation (high risk, HR). Indeed, mutated tumor suppressor genes (BRCA1, BRCA2, CHK2, ATM, p53, PTEN) are also involved in signaling and/or repair of DSBs. Spontaneously, patients showed significantly higher HR of DSBs that spontaneous LR. Three major radiobiological effects were highlighted : 1) A dose low effect, higher in HR; 2) A significant increase in the number of γH2AX foci from 10 min to 24 h after irradiation; 3) An effect of repeated doses more pronounced in HR. These findings should lead to re-evaluate mammographics procedures in screnning in populations where the benefit in term of mortality has not been proved, as women with high familial risk, in the age of group of 40-49 years, and in women treated with chest radiation for childhood, adolescent, or young adult cancer. A single mammographic view could be indicated. Further works assessing the possible carcinogenesis effects of mammographic irradiations will be necessary

La mesure de la dose ionisante est aujourd'hui une tâche cruciale pour une large gamme d'applications fonctionnant dans des environnements de rayonnement sévères. Dans le contexte de l'amélioration de la luminosité du grand collisionneur de hadrons (LHC), la mesure des niveaux de rayonnement le long du complexe d'accélérateurs du CERN va devenir encore plus difficile. A cet effet, une connaissance plus détaillée du champ de rayonnement dans le tunnel de l'accélérateur et ses zones adjacentes devient nécessaire pour définir les exigences d'installation, de déplacement ou de blindage de l'électronique sensible au rayonnement. Dans l’objectif d’améliorer la mesure de la dose absorbée par les systèmes exposés au champ de rayonnement mixte généré par l’accélérateur, des investigations sur des nouveaux dosimètres ont été menées.Dans le cadre de cette recherche, deux dispositifs ont été étudiés et caractérisés pour être utilisés comme dosimètres et éventuellement pour compléter l'utilisation du dosimètre au silicium actuellement utilisé au CERN, à savoir le RADFET (RADiation-sensitive Field Effect Transistor) : un NMOS commercial et un ASIC (Application-specific Integrated Circuit) nommé FGDOS. Les dispositifs ont été sélectionnés selon deux approches opposées : d'une part, la réduction des coûts permettrait d'augmenter la densité des capteurs déployés. En conséquence directe, une carte des doses plus détaillée serait obtenue pour les grands systèmes distribués comme le LHC. D'autre part, la dosimétrie peut être améliorée en déployant des détecteurs plus sensibles, ce qui permettrait de mesurer la dose lorsque les niveaux sont trop faibles pour le RADFET. De plus, des capteurs à plus haute résolution permettraient de caractériser le champ de rayonnement dans un temps plus court, c'est-à-dire avec une luminosité intégrée plus faible.La première approche a été réalisée en recherchant des solutions alternatives basées sur des dispositifs COTS (Commercial Off-The-Shelf), qui réduiraient considérablement les coûts et garantiraient une disponibilité illimitée sur le marché. À cette fin, des recherches ont été menées sur un transistor NMOS discret commercial, qui s'est révélé très sensible au rayonnement.La nécessité d'améliorer la résolution de la mesure de dose a conduit à étudier le FGDOS, un dosimètre en silicium innovant à très haute sensibilité qui permet de détecter des doses extrêmement faibles.La calibration du transistor NMOS et du FGDOS a été effectuées en exposant les dosimètres à des rayons gamma. Leur réponse au rayonnement a été caractérisée en termes de linéarité, de variabilité d'un lot à l'autre et d'effet du débit de dose. L'influence de la température a été étudiée et une méthode pour compenser l'effet de la température a été développée et mise en œuvre.Le FGDOS étant un système sur puce (SoC) avec plusieurs caractéristiques qui font du dosimètre un système extrêmement flexible, la caractérisation de ses différents modes de fonctionnement (actif, passif et autonome) a été effectuée. Suite à la première caractérisation, des questions se sont posées concernant les mécanismes de dégradation de la sensibilité affectant le dosimètre. Pour étudier ce phénomène, des campagnes d’irradiations ont été effectuées avec une puce d'essai incorporant seulement le circuit sensible au rayonnement du FGDOS. L'analyse des expériences a permis de comprendre les processus responsables de la dégradation de la sensibilité, en séparant la contribution du transistor de lecture de celle du condensateur à grille flottante. Les résultats de cette étude nous ont amenés à envisager de nouvelles solutions de conception et des méthodes de compensation.L’aptitude du transistor NMOS et du FGDOS à mesurer la dose ionisante dans les champs de rayonnement mixtes produits par le complexe d’accélérateurs du CERN a été vérifiée à l’aide de test radiatifs accélérés effectués dans le centre de tests en champs mixte à haute énergie du CERN (CHARM). / The Total Ionizing Dose (TID) monitoring is nowadays a crucial task for a wide range of applications running in harsh radiation environments. In view of the High-Luminosity upgrade for the Large Hadron Collider, the monitoring of radiation levels along the CERN’s accelerator complex will become even more challenging. To this extent, a more detailed knowledge of the radiation field in the accelerator tunnel and its adjacent areas becomes necessary to design installation, relocation or shielding requirements of electronics sensitive to radiation. Aiming to improve the monitoring of the TID delivered by the mixed radiation field generated within the accelerator system, investigations on new suitable dosimeters have been carried out.With this research, two devices have been studied and characterized to be employed as dosimeter and possibly to complete the use of the silicon sensor currently employed at CERN for TID monitoring, i.e. the RADiation-sensitive Field Effect Transistor (RADFET): a commercial NMOS, and an ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) named FGDOS. The devices have been selected following two opposite approaches: on the one hand, reducing the costs would allow the density of the deployed sensors to increase. As a direct consequence, a more detailed dose map would be obtained for large distributed systems like the LHC. On the other hand, the radiation monitoring can be further improved by deploying more sensitive detectors, which would allow to measure the dose where the levels are too low for the RADFET. Moreover, sensors with higher resolution would permit the characterization of the radiation field in a shorter time, which means within a lower integrated luminosity.The first approach has been accomplished by searching for alternative solutions based on COTS (Commercial Off-The-Shelf) devices, which would significantly reduce the costs and guarantee unlimited availability on the market. For this aim, investigations on a commercial discrete NMOS transistor, which was found to be very sensitive to the radiation, has been carried out.The need for improving the resolution of TID monitoring led to investigate the FGDOS, which is an innovative silicon dosimeter with a very high sensitivity that permits to detect extremely low doses.The calibration of the NMOS and the FGDOS have been performed by exposing the dosimeters to γ-ray. Their radiation response has been characterized in terms of linearity, batch-to-batch variability, and dose rate effect. The influence of the temperature has been studied and a method to compensate the temperature effect has been developed and implemented.Being the FGDOS is a System-On-Chip with several features that make the dosimeter an extremely flexible system, the characterization of its operational modes (Active, Passive and Autonomous) have been performed. Following the first characterization, some questions arose concerning the sensitivity degradation mechanisms affecting the dosimeter. To investigate this phenomenon, radiation experiments were performed with a test chip embedding only the radiation sensitive circuit of the FGDOS. The analysis of the experiments allowed the understating of the processes responsible for the sensitivity degradation, by separating the contribution of the reading transistor and the floating gate capacitor. The results of this investigation led us to considerer new design solution and compensation methods.The suitability of the NMOS and the FGDOS for TID measurement in the mixed radiation field produced by the CERN’s accelerator complex has been verified by performing accelerated radiation tests at the Cern High energy AcceleRator Mixed field facility (CHARM). The consistency of both sensors with the RADFET measurement has been demonstrated. The high sensitivity of the FGDOS leads to a significant improvement in terms of TID measurement in mixed radiation fields with respect to the RadFET, especially for low radiation intensities.

L’accident de Fukushima-Daiichi du 11 Mars 2011 a fortement marqué l'industrie nucléaire en mettant en évidence plusieurs faiblesses dans le contrôle des systèmes critiques qui assurent la sécurité des centrales nucléaires, en particulier, lors de conditions accidentelles. Cette thèse a été réalisée en collaboration avec AREVA, groupe industriel français actif dans le domaine de l'énergie, avec l’objectif de réaliser des capteurs à fibres optiques résistants aux contraintes sévères d'une centrale nucléaire et, en particulier, de surveiller la température et le niveau de l'eau à l'intérieur d’une piscine de stockage de combustible. La thèse est composée de deux parties organisées en 7 chapitres. Dans la première partie, le chapitre 1 traite des phénomènes contribuant à l'atténuation de la lumière au cours de sa propagation dans la fibre et donne un aperçu des effets des radiations sur les fibres optiques. Pour identifier la technique la plus prometteuse adaptée aux applications visées par AREVA, le chapitre 2 propose un état de l’art sur les capteurs distribués à fibres optiques existants avec une attention particulière à leur emploi dans des environnements radiatifs. La dernière partie de ce chapitre est consacrée à la description détaillée de l’OFDR qui est la technique retenue pour cette application. La deuxième partie est consacrée à la présentation des résultats obtenus et leur analyse. Le chapitre 3 présente le détail des irradiations et des traitements thermiques, les échantillons retenus et les bancs de mesure utilisés. Afin de déterminer la meilleure combinaison fibre/technique par rapport à l’application visée, une étude systématique des capteurs distribués de température et de contrainte a été réalisée. Les effets permanents des rayonnements (niveaux de dose du MGy) sont étudiés dans le chapitre 4. Le chapitre 5 illustre des mesures in situ sur les fibres résistantes aux radiations pour comprendre les effets combinés de la température et des radiations (rayons X), effets représentatifs des conditions nominales et accidentelles des piscines de stockage. Enfin, nous avons développé un prototype de capteur de niveau d’eau pour les piscines de combustible qui est décrit dans le chapitre 6. Ensuite, les principales conclusions et les perspectives de ce travail de thèse sont discutées / Fukushima-Daiichi event on March 11th, 2011, signed a turning point in nuclear industry by highlighting several weaknesses in the control of critical systems that ensure the safety in nuclear power plant (NPP) operating, particularly, in accidentals conditions. This PhD thesis has been carried out in collaboration with AREVA, the French industrial group active in the energy domain, with the aim of realizing optical fiber sensors resistant to the harsh environment constraints of a NPP and, in particular, to monitor temperature and water level several parameters inside the spent fuel pools (SFPs). It consists of two parts organized in 7 chapters. In the first part, chapter 1 deals with the phenomena contributing to the light attenuation during its propagation along the fiber and gives an overview on the radiation effects on optical fibers. To identify the most promising technique suitable for AREVA needs, in chapter 2 is reported the state-of-the-art on the distributed OFSs with particular attention to their employment in radiation environments. The last part of this chapter is devoted to the detailed description of the OFDR that is the selected sensor technique for this application. The second part is devoted to present and discuss the obtained results. Chapter 3 gives the experimental details on radiation and thermal treatments, investigated samples and used setups. In order to determine the best fiber/setup combination, a systematic study on temperature and strain distributed sensors was carried out in relation to the harsh constraints demanded from the application. The permanent radiation (MGy dose levels) effects on different fiber classes are investigated in Chapter 4. Chapter 5 illustrates in situ measurements on radiation resistant fibers to understand the combined temperature and radiation (X-rays) effects representative of the SFP nominal and accidental conditions. Simultaneously, we have developed the OFS design for its integration at SFP facility. The prototype is described and its performance is evaluated in chapter 6. Then, the main conclusion and perspective are discussed / L'incidente di Fukushima-Daiichi dell’11 marzo 2011 ha segnato un punto di svolta per l’industria nucleare, mettendo in evidenza diversi punti deboli nel controllo di sistemi critici che garantiscono la sicurezza nelle centrali, in particolare in condizioni di incidente. Questa tesi è stata condotta in collaborazione con AREVA, il gruppo industriale francese attivo nel settore dell'energia, con l'obiettivo di produrre sensori a fibra ottica resistenti alle condizioni estreme di una centrale nucleare e, in particolare, per controllare diversi parametri all'interno di una piscina di stoccaggio di combustibile nucleare, quali la temperatura e il livello dell'acqua. La tesi si compone di due parti organizzate in 7 capitoli. Nella prima parte, il capitolo 1 riguarda i fenomeni che contribuiscono all'attenuazione della luce durante la sua propagazione nella fibra e permette di comprendere gli effetti della radiazione sulle fibre ottiche. Per identificare la tecnologia più promettente per le esigenze di AREVA, nel capitolo 2 é discusso lo stato dell’arte sui sensori distribuiti con particolare attenzione alle loro performance in ambienti radiativi. L'ultima parte di questo capitolo è dedicato ad una descrizione dettagliata della tecnica OFDR che è la tecnologia scelta per questa applicazione. La seconda parte è dedicata a presentare e discutere i risultati. Il capitolo 3 fornisce i dettagli sui campioni studiati e i trattamenti effettuati su di essi e descrive il setup utilizzato. Per determinare la migliore combinazione fibra/tecnica per l’applicazione prevista, è stato eseguito uno studio sistematico sulla risposta alla radiazione dei sensori distribuiti di temperatura e strain. Glieffetti permanenti della radiazione (dosi dell’ordine del MGy) su diverse classi di fibre, resistenti e sensibili alle radiazioni, sono discussi nel capitolo 4. Il capitolo 5 riporta le misure in situ sulle fibre resistenti alla radiazione per investigare gli effetti combinati di temperatura e radiazioni (raggi X) rappresentativi delle condizioni operative e accidentali nelle piscine di stoccaggio. Infine, abbiamo sviluppato un prototipo di sensore del livello dell’acqua nelle piscine di stoccaggio che è descritto nel capitolo 6. In seguito, le principali conclusioni e le prospettive sono discusse

Ce mémoire de thèse traite de l’étude de la sensibilité des composants électroniques avancés en milieu radiatif. Le travail porte sur la modélisation détaillée du dépôt d’énergie induit par un ion lourd dans la matière, et sur l’influence de la prise en compte de cette trace d’ion dans les outils de simulation de la réponse de composants irradiés. Dans ce but, nous avons développé une chaîne de simulation, combinant différents codes de calcul à des échelles variées. Dans une première étape, le code d’interactions particule-matière Geant4 est ainsi utilisé pour modéliser la trace d’ion. Ces traces sont ensuite implémentées dans un code de simulation TCAD, afin d’étudier la réponse de transistors élémentaires à ces dépôts d’énergies détaillés. Cette étape est complétée par des mesures expérimentales. Enfin, l’étude est étendue au niveau circuit, en interfaçant les traces d’ions avec un outil de prédiction des SEE. Ces différentes étapes mettent en évidence la nécessité de prendre en compte la dimension radiale de la trace d’ion à tous les niveaux de simulation, pour modéliser de façon adéquate la réponse de composants avancés sous irradiation par des ions lourds. / This thesis studies the sensitivity of advanced electronic devices in radiative environments. The work deals with the detailed modeling of the deposited energy induced by heavy-ion in matter, and the influence of taking it into account in the tools simulating the response of irradiated devices. To do so, a simulation chain was developed, combining different calculation codes at various scales. In a first step, the particle-matter interaction code Geant4 is used to model the heavy ion track. These tracks are then implemented in a TCAD simulator, in order to study the response of elementary transistors to these detailed energy deposits. This step is completed with experimental measurements. Finally, the study is extended to the circuit level, by interfacing the heavy ion tracks with a SEE prediction tool. These different steps evidence the need for taking into account the radial extension of the ion track to all simulation levels, to adequately model the response of advanced devices under heavy ion irradiations.

L’environnement radiatif spatial est particulièrement critique pour la fiabilité des circuits intégrés et systèmes électroniques embarqués. Cet environnement chargé en particules énergétiques (proton, électron, ions lourds, etc) peut conduire à des pannes transitoires (SET), ou permanentes (SEU) et dans certains cas destructives (type Latchup, SEL) dans les dispositifs embarqués. L'effet d'une seule particule est identifié comme un événement singulier (SEE). Les contraintes imposées par l'intégration technologique poussent les fabricants micro-électroniques à prendre en considération la vulnérabilité de leurs composants vis-à-vis du Latchup tout en considérant les phénomènes non destructifs tels que la corruption de données (SEU/MBU). Cette thèse est le fruit d'une collaboration entre l'ONERA et Sofradir, fabriquant électronique d'imageurs infrarouge. L'objectif de cette thèse est d'étudier les effets singuliers (SET/SEU/SEL) de la technologie CMOS utilisée par Sofradir dans des conditions de températures cryogéniques, et plus particulièrement l'effet Latchup. / The spatial radiative environment is particularly critical for the reliability of integrated circuits and embedded electronic systems. This environment loaded with energetic particles (proton, electron, heavy ions, etc.) can lead to transient (SET), or permanent (SEU) and insome cases destructive failures (Latchup, SEL) in embedded devices. The effect of a single particle is identified as a single event effect(SEE). The constraints imposed by technological integration push microelectronics manufacturers to consider the vulnerability of their components to Latchup while consideringnon-destructive phenomena such as data corruption (SEU/MBU). This thesis is the result ofcollaboration between ONERA and Sofradir, an electronic manufacturer of infrared imagers. The aim of this thesis is to study the singular effects (SET / SEU / SEL) of the CMOS technology used by Sofradir under cryogenic temperature conditions, and more particularly the Latchup effect.

La miniaturisation des circuits intégrés numériques tend à augmenter leur sensibilité aux radiations. Ainsi le rayonnement naturel peut induire des événements singuliers et porter atteinte à la fiabilité des circuits.Cette thèse porte sur la modélisation des mécanismes à l'origine de ces événements singuliers et sur le développement de solutions de durcissement par conception permettant de limiter l'impact des radiations sur le taux d'erreur.Dans une première partie, nous avons notamment développé une approche dénommée RWDD (Random-Walk Drift- Diffusion) modélisant le transport et la collection de charges au sein d'un circuit, sur la base d'équations physiques sans paramètre d'ajustement. Ce modèle particulaire et sa résolution numérique transitoire permettent de coupler le transport des charges avec un simulateur circuit, tenant ainsi compte de l'évolution temporelle des champs électriques dans la structure. Le modèle RWDD a été intégré avec succès dans une plateforme de simulation capable d'estimer la réponse d'un circuit suite à l'impact d'une particule ionisante.Dans une seconde partie, des solutions de durcissement permettant de limiter l'impact des radiations sur la fiabilité des circuits ont été développées. A l'échelle des cellules élémentaires, de nouvelles bascules robustes aux radiations ont été proposées, en limitant leur impact les performances. Au niveau système, une méthodologie de duplication de l'arbre d'horloge a été développée. Enfin, un flot de triplication a été conçu pour les systèmes dont la fiabilité est critique. L'ensemble de ces solutions a été implémenté en technologie 65 nm et UTBB-FDSOI 28 nm et leur efficacité vérifiée expérimentalement. / The extreme technology scaling of digital circuits leads to increase their sensitivity to ionizing radiation, whether in spatial or terrestrial environments. Natural radiation can now induce single event effects in deca-nanometer circuits and impact their reliability.This thesis focuses on the modeling of single event mechanisms and the development of hardening by design solutions that mitigate radiation threat on the circuit error rate.In a first part of this work, we have developed a physical model for both the transport and collection of radiation-induced charges in a biased circuit, derived from pure physics-based equations without any fitting parameter. This model is called Random-Walk Drift-Diffusion (RWDD). This particle-level model and its numerical transient solving allows the coupling of the charge collection process with a circuit simulator, taking into account the time variations of the electrical fields in the structure. The RWDD model is able to simulate the behavior of a circuit following a radiation impact, independently of the implemented function and the considered technology.In a second part of our work, hardening solutions that limit radiation impacts on circuit reliability have been developed. At elementary cell level, new radiation-hardened latch architectures have been proposed, with a limited impact on performances. At system level, a clock tree duplication methodology has been proposed, leaning on specific latches. Finally, a triplication flow has been design for critical applications. All these solutions have been implemented in 65 nm and UTBB-FDSOI 28nm technologies and radiation test have been performed to measure their hardening efficiency.

La réduction géométrique régulière des finesses de gravure en microélectronique a conduit à un grand succès dans l'industrie et a beaucoup changé la vie humaine. Cependant, cette évolution technologie continue apporte de nouveaux défis aux circuits intégrés (CIs). Leur conception et fabrication sont de plus en plus complexes qu'avant. Les CIs sont affectés par deux phénomènes majeurs: la variabilité paramétrique et les limites des procédés de fabrication, ainsi que la sensibilité aux conditions environnementales. Avec l'augmentation du taux de défaillance lié à ces deux phénomènes, les circuits basés sur les technologies nanoélectroniques sont censés être de moins en moins fiables. Le critère de fiabilité est exigé dans les applications critiques. Parmi de nombreuses solutions techniques, l'amélioration au niveau de l'architecture profite de l'indépendance de la technologie et de la faible latence de réaction. Les solutions architecturales faisant l'objet de cette thèse sont du type auto-contrôlables, c'est-à-dire capables d'indiquer automatiquement l'apparition de fautes ou de masquer les fautes directement. Cette thèse est consacrée aux méthodes d'analyse et d'amélioration de la fiabilité au niveau de l'architecture. Les problèmes de fiabilité pendant la durée d'utilisation d'un circuit électronique sont décrits en détails. Les opérateurs arithmétiques numériques pour le traitement du signal sont pris comme des études de cas. Les opérateurs élémentaires (c-à-d additionneurs binaires), le calcul numérique par rotation de coordonnées (CORDIC) et le processeur du standard de chiffrement avancé (AES) sont également traités. / The steady geometrical reduction of CMOS technology brought a great industry success and affected a lot the human life. However, the integrated circuits (ICs) are shrinking along with new challenges. The design and manufacturing are becoming more complex than before. ICs suffer from two major problems: the parametric variability in materials and limited precision processes, and the sensibility to environment noise. With the increasing failure rate related to these two problems, the future ICs implemented with sub-micron CMOS technology are expected to be less reliable. New reliable ICs are highly desired in critical applications such as avionic, transport and biomedicine. Numerous solutions have been reported in literature covering the enhancement in different abstraction levels (i.e., system level, architecture level and electrical level). Among these solutions, the improvement in architecture level benefits the independence from CMOS technology and the low latency of reaction. Expected architectural solutions will be self-controlled meaning that is able to either automatically indicate the occurrence of faults or directly mask the faults. This thesis is devoted to the reliability analysis methodology and reliability enhancement approaches on architecture level. In particular, the reliability issues in usage time are discussed in details. Digital arithmetic operators for signal processing are taken as studied objects. In addition to the basic operators (i.e., binary adders), coordinate rotation digital computer (CORDIC) and advanced encryption standard (AES) processor are also covered in the scope of this work.

L'environnement radiatif spatial est composé d'une grande diversité de particules dans un spectre en énergie très large. Parmi les effets affectant les composants électroniques, on distingue les effets cumulatifs et les effets singuliers transitoires analogiques (ASET). Les effets cumulatifs correspondent à une dégradation continue des paramètres électriques du composant induits par un dépôt d'énergie à faible débit de dose tout au long de la mission spatiale. Les ASETs sont eux causés par le passage d'une particule unique traversant une zone sensible du composant et engendrant une impulsion de tension transitoire qui se propage à la sortie de l'application. Au cours des tests au sol, les deux effets sont étudiés séparément, mais ils se produisent simultanément en vol. Il se produit donc un effet de synergie, induit par la combinaison de la dose et de l'apparition soudaine d'un ASET dans le dispositif préalablement irradié.Une étude de l'effet de synergie dose-ASET est proposée. Pour accélérer les irradiations, une technique connue sous le nom de « méthode de commutation de débit de dose » (DRS) prenant en compte la sensibilité accrue au faible débit de dose (ELDRS) est utilisée. Un modèle haut niveau est développé en utilisant l'analyse circuit permettant de prédire l'effet de synergie observé sur un amplificateur opérationnel à trois étages. Pour prédire l'effet de synergie, l'effet de dose est pris en compte en faisant varier les paramètres décrivant le modèle suivant une loi de variation déduite de la dégradation du courant d'alimentation qui est couramment enregistré au cours des essais industriels. Enfin, les effets transitoires des radiations sur l'électronique (TREEs) induits par un environnement de très fort débit de dose de rayons X pulsés ainsi que l'effet de synergie dose-TREE sont étudiés à l'aide d'un générateur de Flash-X. La méthode classique d'analyse des ASETs permet alors d'expliquer la forme des impulsions transitoires observées. / The natural radiative space environment is composed by numerously particles in a very large energy spectrum. From an electronics component point of view, it is possible to distinguish cumulative effects and so-called Analog Single Event Transient effects (ASET). Cumulative effects correspond to continuous deterioration of the electrical parameters of the component, due to a low dose rate energy deposition (Total Ionizing Dose: TID) throughout the space mission. ASETs are caused by a single energetic particle crossing a sensitive area of the component inducing a transient voltage pulse that occurs at the output of the application. During ground testing, both effects are studied separately but happen simultaneously in flight. As a result a synergy effect, induced by the combination of the low dose rate energy deposition and the sudden occurrence of an ASET in the device previously irradiated, occurs. A study of dose-ASET synergistic effects is proposed using an accelerated irradiation test technique known as Dose Rate Switching method (DRS) tacking into account the concern of the Enhanced Low Dose Rate Sensitivity (ELDRS). A High Level Model is developed using circuit analysis to predict the synergy effect observed on a three stages operational amplifier. To predict synergy effect, the TID effect is taken into account by varying the model parameters following a variation law deduced from the degradation of the supply current which recorded during usual industrial TID testing. Finally, the Transient Radiation Effects on Electronics (TREE) phenomena induced by a Very High Dose Rate X-ray pulse environment and the dose-TREE synergy effect are then investigated using an X-ray flash facility. The classical ASETs methodology analysis can explain the shapes of transients observed.