Les travaux effectués au cours de cette thèse visent à développer des structures de protections contre les décharges électrostatiques (ESD) adaptées aux Entrées/Sorties hautes tensions (40V100V) dans le cadre d'applications automobiles et Ethernet. Pour satisfaire ce type de spécification, caractérisé par une fenêtre de conception ESD étroite, la protection doit présenter une caractéristique électrique à faible repliement, ou sans repliement, une tension de fonctionnement élevée et une résistance à l'état passant (RON) faible. De plus, la robustesse ESD requise est d'au moins 2kV HBM (Human Body Model) et peut atteindre 8kV. Le transistor bipolaire autopolarisé a été retenu comme composant de base des protections développées, en raison de ses bonnes propriétés en termes de robustesse et de RON. Dans un premier temps, nous avons mené une étude théorique approfondie dans l'optique de déterminer les paramètres contrôlant son déclenchement et son comportement à l'état passant, sous l'effet des fortes densités de courant et des températures élevées induites par les ESD. En particulier, un nouveau modèle a été établi lorsque la diminution du rapport d'injection en forte injection conduit à de très faibles valeurs. Des règles de dessin adaptées aux spécifications visées ont ainsi pu être définies. Dans ce travail, nous proposons différentes solutions permettant de répondre aux exigences de protection des Entrées/Sorties hautes tensions. Ainsi, quatre types de protections innovantes ont été développés : des transistors bipolaires PNP dont le RON est optimisé, des structures couplant un transistor PNP latéral avec une diode verticale, un transistor NPN dont le gain est fortement dégradé afin d'augmenter la tension de fonctionnement et des transistors NPN avec une région flottante dans la base ou dans le collecteur. Dans chaque cas, en s'appuyant sur l'analyse des mécanismes physiques à l'aide de la simulation physique 2D, nous avons défini les stratégies d'optimisation appr opriées. Les résultats obtenus permettent de diviser par deux la surface des protections par rapport à la solution classique de mise en série de plusieurs protections basses tensions.

Le présent travail est dédié à l’étude d’un procédé hybride couplant l’électrodialyse à membrane bipolaire et l’échange d’ions. Cette étude est appliquée au traitement de solutions diluées d’acide acétique. L’objectif est double : acquérir une compréhension théorique des processus de transfert et des mécanismes qui impactent la consommation énergétique de ce système hybride et, de façon plus appliquée, proposer une configuration de cellule qui permette d’éliminer l’acide de la solution traitée en la transférant vers un compartiment de concentration. Cette configuration doit permettre d’obtenir le taux de purification le plus élevé possible tout en minimisant la consommation d’énergie. Des critères visant à optimiser le choix des résines échangeuses d’ions (fortes ou faibles) dans les compartiments de dilution sont proposés. L’intérêt de l’utilisation d’une résine cationique forte sous forme H+ dans le compartiment de concentration est par ailleurs mise en évidence, conduisant à une diminution de la résistance du compartiment et de ce fait de la consommation d’énergie. Une étude réalisée sur des systèmes « couplés » et « découplés » a permis d’identifier les contributions résistives des différents éléments de l’empilement. Cette approche a conduit à la détermination des paramètres d’un modèle qui permet de prévoir la résistance électrique d’un lit de résine dans une solution donnée. Les consommations spécifiques d’énergie (kWh/kg d’acide transféré) ont été évaluées en fonction du taux de purification souhaité. L’ensemble de l’étude a permis d’établir des recommandations pour la conception de la cellule et pour le choix des paramètres opératoires. / This work is dedicated to the study of a hybrid separation process involving bipolar membrane electrodialysis and ion exchange. This study is applied to the treatment of diluted effluents. The aim is first to acquire a theoretical understanding of transfer processes and mechanisms that affect energy consumption of this hybrid system. Then, in a more applied way, the objective is to be able to propose a cell configuration that allows to remove the acid from the treated solution by transferring it to a concentration compartment. This configuration must allow to obtain the highest purification rates as possible while minimizing energy consumption. Criteria aiming at optimizing ion exchange resins (strong or weak) in dilution compartment are proposed. The interest of the introduction of strong cationic resin under H+ form in the concentrated compartment is highlighted, as it enables reducing compartment resistance and hence energy consumption. Furthermore, experimental measurements successively conducted with “decoupled” and “coupled” systems identified resistive contributions of the different elements of the stack. This approach led to the determination of parameters of a model which predicts the resin bed electrical resistance in a given solution. Specific energy consumption (kWh/Kg transferred acid) was evaluated as a function of the desired purification rate. All the work led to recommendations for the cell design and for the choice of operating parameters.

Ce travail de thèse s’inscrit dans la démarche engagée depuis quelques années et concernant l’intégration monolithique en électronique de puissance avec pour objectif de faire émerger une nouvelle structure de bras d’onduleur plus compacte, plus fiable et plus performante. En s'appuyant sur des technologies à base de transistors « complémentaires » sur substrat N et P, la nouvelle structure étudiée présente de nombreux avantages vis-à-vis de la CEM conduite, de la simplification de commande rapprochée et de la mis en œuvre. Ces aspects sont abordés et validés de manières "théoriques" et expérimentales. Le point pénalisant concernant le rendement de la structure par l’introduction du transistor sur substrat P est également analysé et de nouvelles topologies sont proposées afin d’améliorer cette limitation. Des techniques d’alimentation pour la commande bipolaire offrant un niveau maximal intégration sont ainsi développées. / The work presented in this Phd manuscript was targeted to the monolithic integration of the generic power stage of static converters with the goal of bringing out a new inverter leg structure. It is based on "complementary" transistors, N and P types, and it presents several advantages regarding the conducted EMC reduction, the simplification of the gate driver and its implementation. These aspects are studied and validated thanks to experimental results. The drawback concerning the lack of performance due to the introduction of the P type transistor is also analyzed. Several evolutions are proposed to improve the structure’s efficiency while maintaining the obtained advantages at their highest levels. Finally, bipolar gate driver supply techniques, offering high integration levels, are also developed.

Ces travaux traitent de la réalisation d’un prototype d’interrupteur monolithique bidirectionnel à base de transistor bipolaire. A terme, l’objectif est de développer un interrupteur intelligent à faible perte, complètement intégrable dans l’habitat. Nous nous intéressons d’abord aux composants bidirectionnels existants. Nous présentons ensuite deux transistors bipolaires bidirectionnels. Le premier à base large, de fabrication aisée. Le second, symétrique, latéral, sur substrat SOI, à base fine, verticale, autoprotégée, très novateur. Nous les comparons et optons pour le transistor latéral à base fine, puis discutons les différentes étapes de sa fabrication et montrons qu’elle constitue un véritable challenge. Ensuite, nous détaillons une méthodologie analytique 1D permettant de déterminer les éléments clefs de fabrication de la partie active du transistor. L’étude est validée par des simulations 2D numériques par éléments finis. Nous continuons par une réflexion sur la périphérie du composant et sa métallisation. Nous détaillons les variantes de réalisation envisagées et montrons que ce composant est robuste vis-à-vis des désalignements entre les masques lors de la fabrication. Finalement, nous caractérisons les transistors fabriqués. Initialement le dispositif est parasité par des effets de ségrégation des dopants aux interfaces SiO2 / Si. Nous expliquons qu’il est possible de contrecarrer ces effets, pour finalement valider le concept de transistor bipolaire symétrique latéral sur substrat SOI, à base fine, verticale, autoprotégée. / This study deals with the realization of a prototype of a low losses monolithic bidirectional switch. It is based on a SOI symmetrical and lateral bipolar transistor with a thin, vertical and shielded base. The goal is to produce a switch which can be integrated to smart electronics functions. First, we compare the existing bidirectional solutions. We then introduce two bidirectional bipolar transistors: one with a wide base, easy to realize, and the other one, patented, symmetrical and lateral, using a SOI substrate, with a thin, vertical and shielded base. We compare these two devices and choose the novel and patented lateral bipolar transistor. We then discuss the challenge of its fabrication. We then detail a 1D analytical methodology allowing to define rapidly the key steps of the active area transistor realization. The study is then confirmed by finite element 2D numerical simulations (Sentaurus). Next, we discuss the periphery and metallization of the device. We detail the variant of process introduced. We finally show that this component is robust to masks misaligning during its fabrication. To the end, the transistors are realized and analyzed. We show that, initially, the segregation of dopants at SiO2 / Si interfaces implies a parasiting canal in parallel of the transistor. We then explain how to reduce these parasiting effects, to finally validate the concept of a symmetrical and lateral bipolar transistor on a SOI substrate, with a thin, vertical, shielded base.

Les transistors rapides actuels présentent un retard lorsqu’ils fonctionnent à très hautes fréquences ou en régime transitoire rapide. Cet effet est appelé effet non quasi-statique (NQS). Dans cette thèse, l’effet NQS est analysé de manière concise de façon à être directement implanté dans les modèles de composant pour les bibliothèques de circuit en utilisant le langage standard VerilogA. Les mécanismes physiques à la base de l’effet NQS sont évalués dans le domaine de fonctionnement petit signal et les résultats sont comparés aux travaux déjà publiés. S’agissant du modèle standard bipolaire HICUM, les effets NQS latéraux et verticaux sont examinés séparément à partir du même modèle, en régime de fonctionnement transitoire et fréquentiel grâce à un sous-circuit dédié au calcul de la phase du signal. A partir de ce sous-circuit, la modélisation compacte avec HICUM est comparée aux données issues de mesures et issues de simulation amont. Enfin, un nouveau sous-circuit calculant l’excès de phase est proposé pour prendre mieux en compte les effets non quasi-statiques dans les transistors bipolaires. / Modern high speed (RF) transistors encounter certain delay while operated at high frequency or under fast transient condition. This effect is named as Non Quasi Static (NQS) effect. In the current work, NQS effect is analyzed in a concise manner so that it can be readily implemented in a compact model using the VerilogA description language. The basic physics behind this effect is investigated in small signal domain and the results are compared with the published work. In popular bipolar model HICUM lateral and vertical NQS are examined separately and uses the same model for both transient and AC operation which requires an additional minimum phase type sub circuit. Compact modeling with HICUM model is performed in both measurement and device simulated data. At last, an improved excess phase circuit is proposed to model the NQS effect.

Notre étude démontre que les sujets dépressifs unipolaires et bipolaires, présentent une difficulté de régulation des flux excitatifs découlant de la défaillance de la fonction pare-excitative, nommée dans notre travail, « défaillance du contenant psychique ». Nous la mettons en relief à partir de la cotation de trente protocoles de Rorschach à l’aide d’un indice de régression, élaboré pour notre recherche. Nous réalisons, en complément, une étude prospective des notes T à trente échelles et sous-échelles du MMPI-2 de ces mêmes sujets. Nous y relevons certaines constantes en note T, caractérisant en fréquence cette population dépressive, dont une constante en note basse à l’échelle Force du Moi. Nous utilisons ces résultats cliniques pour argumenter l’intérêt d’une prise en charge thérapeutique à partir d’un dispositif basé sur un tissage de médiations groupales, comme voie de restauration du contenant psychique internalisé et de sa fonction pare-excitative. / Our study demonstrates that unipolar and bipolar depressed subjects present a difficulty of excitement flows regulation, arising from the failure of the pare-excitations function, named in our research: "psychic container failure". We highlight this malfunction by the cotation of thirty Rorschach protocols, using a regression index, developed for our research. We carry out a prospective study in complementary from the notes of the scales and subscales of the Minnesota Multiphasic Personality Inventory 2 of these subjects. We identify the constants, low notes, and elevations, appearing frequently and significantly in this population, which is a constant low note to Ego Strength Scale. We use these results to point out the value of therapeutic support based on groupal mediations as way to restore the internalized psychic protective shield.

La théorie, la conception, l'optimisation et la caractérisation d'amplificateurs distribués en technologie TBDH InP 0,7 µm, pour les systèmes de communications optiques à 100 Gbit/s, sont présentés. Nous montrons comment l'exploitation adaptée du concept d'amplificateur distribué avec une technologie de transistors bipolaires à produit vitesse-amplitude élevé a permis la réalisation d'un driver de modulateur électro-optique fournissant une amplitude différentielle d'attaque de 6,2 et 5,9 Vpp, à 100 et 112 Gbit/s, respectivement, avec une qualité de signal élevée. Ce circuit établit ainsi le record de produit vitesse-amplitude à 660 Gbit/s.V sur tranche et 575 Gbit/s.V en module hyperfréquence. Dans le cadre du projet Européen POLYSYS, il a été associé à un laser accordable et un modulateur pour la réalisation d'un module transmetteur optoélectronique compact, démontrant des performances avançant l'état de l'art des communications optiques courtes distances à 100 Gbit/s. / The theory, design, optimisation and characterisation of distributed amplifiers in 0.7-µm InP DHBT technology, for 100-Gbit/s optical communication systems, are presented. We show how the appropriate implementation of the distributed amplifier concept in a bipolar transistors technology with high swing-speed product has enabled the realisation of an electro-optic modulator driver with 6.2- and 5.9-Vpp differential driving amplitude at 100 and 112 Gb/s, respectively, with a high signal quality. This circuit thus establishes the swing-speed product record at 660 Gb/s.V on wafer and at 575 Gb/s.V in a microwave module. In the frame of the European project POLYSYS, it has been co-packaged with a tunable laser and a modulator to realise a compact optoelectronic transmitter module, which has demonstrated performances advancing the state of the art of short reach 100-Gb/s optical communications.

Les troubles bipolaires (TB) sont des maladies psychiatriques dont le déterminisme complexe fait intervenir des facteurs génétiques et environnementaux de susceptibilité. Les efforts d’identification des facteurs génétiques ont produit des résultats discordants et les facteurs environnementaux restent mal connus. Notre équipe a contribué à identifier une forme à début précoce des TB (TB-DP), son caractère fortement familial en faisant un candidat pour faciliter l’identification de gènes de susceptibilité. Ainsi, nous avons réalisé un criblage systématique du génome dans le TB-DP suggérant une liaison avec les régions chromosomiques 2p21, 2q14, 3p14, 5q33, 7q36, 10q23, 16q23 et 20p12. Nous avons montré des associations entre le TB-DP et le gène SNAP25 (rôle dans les mécanismes d’exocytose, région 20p12) et entre les TB et le gène codant l’ASMT (rôle dans la synthèse de la mélatonine). Enfin, une étude d’association pangénomique suggère une association entre le TB-DP et deux gènes de la voie du phosphatidyl-inositol (PLEKHA5 et PLCXD3). Concernant les facteurs environnementaux, les traumatismes affectifs subis dans l’enfance (principalement les abus émotionnels) sont associés aux TB, influencent deux dimensions constitutives des TB (labilité affective et intensité des affects) et interagissent avec le 5HTTLPR pour moduler l’âge de début des troubles. Ces travaux illustrent la pertinence de se focaliser sur le TB-DP pour identifier des gènes de susceptibilité, la nécessité d’explorer plus finement les facteurs environnementaux (notamment les stress précoces) et de considérer les interactions gène-environnement afin de mieux appréhender le déterminisme complexe des TB / Bipolar disorders (BD) are psychiatric diseases with a complex determinism in which genetic and environmental susceptibility factors are involved. Attempts to identify genetic factors have produced conflicting results and environmental factors remain unknown. Early-onset bipolar disorder (EO-BD) is a clinical entity that is characterized by a strong familial aggregation ; a specific focus on this subtype might facilitate the identification of susceptibility genes. A genome-wide scan in EO-BD has suggested eight regions of linkage (chromosomal regions 2p21, 2q14, 3p14, 5q33, 7q36, 10q23, 16q23 and 20p12). We have demonstrated an association between EO-BD and the SNAP25 gene (located at 20p12 and involved in exocytosis). We have demonstrated an association between BD and the ASMT gene (involved in the synthesis of melatonin). Finally, a genome-wide association study has suggested the involvement of two phosphatidyl-inositol pathway related genes in the susceptibility to EO-BD (PLEKHA5 et PLCXD3). Concerning environmental susceptibility factors, childhood affective traumatic events (mainly emotional abuse) are associated with BD, might influence two core dimensions of BD (affective lability and affect intensity) and might interact with the serotonin transporter genelinked polymorphic region to modulate the age of onset of the disorder. These studies illustrate the relevance of focusing on the early onset subgroup of the disease to identify susceptibility genes, the need to further explore early stressors as environmental factors associated with BD and to investigate the complex relationships between these two kinds of susceptibility factors

Pour le développement des convertisseurs d’électronique de puissance, la simulation en temps réel joue un rôle essentiel dans la validation des performances des convertisseurs et de leur contrôle avant leur réalisation. Cela permet de simuler et reproduire avec précision les formes d’ondes des courants et tensions des convertisseurs de puissance modélisés avec un pas de temps de simulation correspondant exactement au temps physique. Les circuits d’électronique de puissance sont caractérisés par le comportement non linéaire des interrupteurs. Par conséquent, les représentations des dispositifs de commutation sont cruciales dans la simulation en temps réel. Le modèle au niveau système est largement utilisé dans les simulateurs temps réel du commerce et les plates-formes expérimentales, qui modélisent les comportements des interrupteurspar deux états stationnaires distincts - passant et bloqué - et négligent tous les phénomènes transitoires. Ces dernières années, la simulation temps réel au niveau du composant est devenue populaire car elle permet de simuler les formes d'onde de commutation transitoires et de fournir des informations utiles concernant les contraintes sur les interrupteurs , les pertes, les effets parasites et les comportements électrothermiques. Néanmoins, la simulation temps réel au niveau du composant est contrainte par le pas de temps transitoire réalisable en raison des quantités de calcul accrues introduites par la non-linéarité du modèle de commutation.Afin d'intégrer le modèle au niveau du composant dans la simulation en temps réel, cette thèse porte sur l'exploration approfondie des techniques de modélisation et de simulation en temps réel au niveau composantdes convertisseurs d’électronique de puissance. Les techniques de simulation en temps réel les plus récentes sont d’abord examinées de manière exhaustive, tant au niveau du système que du composant. En outre, deux approches de modélisation au niveau du composant sont proposées, à savoir le modèle haute résolution quasi-transitoire (HRQT) et le modèle transitoire linéaire par morceaux (PLT). Dans le modèle HRQT, le modèle de réseau est implémenté par une simulation au niveau système tout en générant les formes d'onde de commutation transitoires avec une résolution de 5 ns, ce qui permet de simuler le convertisseur de puissance avec des transitoires rapides jusqu'à des dizaines de nanosecondes. Compte tenu des effets des transitoires sur l’ensemble du réseau, les modèles non linéaires des IGBT et diodes sont linéarisés par morceaux dans le modèle PLT. À l'aide de techniques efficaces de découplage de circuits, le modèle du convertisseur de puissance au niveau composant peut être simulé de manière stable avec un pas de temps de simulation global de 50 ns. Les deux modèles proposés sont testés et validés via différents cas sur une plate-forme temps réel de National Instruments basée sur un FPGA, comprenant un convertisseur boost boosté entrelacé (FIBC) pour le modèle HRQT, un convertisseur DC-DC-AC pour le modèle PLT et un convertisseur modulaire à plusieurs niveaux (MMC) pour les deux. Des résultats précis sont produits par rapport aux outils de simulation hors ligne. L'efficacité et les valeurs d'application sont également vérifiées par les résultats d’essais en temps réel. / In the development cycles of the power electronics converters, the real-time simulation plays an essential role in validating the converters’ and the controllers’ performances before their implementations on real systems. It can simulate and reproduce the current and voltage waveforms of the modeled power electronics converters accurately with a simulation time-step exactly corresponding to the physical time. The power electronics circuits are characterized by nonlinear switching behaviors. Therefore, the representations of switching devices are crucial in real-time simulation. The system-level model is widely used in both commercial real-time simulators and the experimentally built real-time platforms, which models the switching behaviors by two separate steady states – turn-on and turn-off, and neglects all the switching transients. In recent years, the device-level real-time simulation has become popular since it can simulate the transient switching waveforms and provide useful information with regard to the device stresses, the power losses, the parasitic effects, and electro-thermal behaviors. Nevertheless, the device-level real-time simulation is constrained by the achievable transient time-step due to the increased computational amounts introduced by the nonlinearity of the switch model.In order to integrate the device-level model in the real-time simulation, in this thesis, the device-level real-time modeling and simulation techniques of the power electronics converters are deeply explored. The state-of-art real-time simulation techniques are firstly reviewed comprehensively with regard to both system-level and device-level. Moreover, two device-level modeling approaches are proposed, including high- resolution quasi-transient model (HRQT) and the piecewise linear transient (PLT) model. In HRQT model, the network model can be implemented by system-level simulation while generating the transient switching waveforms with a 5 ns resolution, which is good at simulating the power converter with fast switching transients down to tens of nanoseconds. Considering the effects of the transient behaviors on the entire network, the PLT model is proposed by piecewise linearizing the nonlinear IGBT and diode equivalent models. With the help of effective circuit decoupling techniques, the device-level power converter model can be simulated stably with a 50 ns global simulation time-step. The proposed two models are tested and validated via different case studies on National Instruments (NI) FPGA-based real-time platform, including floating interleaved boost converter (FIBC) for HRQT model, DC-DC-AC converter for PLT model, and modular multi-level converter (MMC) for the both. Accurate results are produced compared to offline simulation tools. The effectiveness and the application values are further verified by the results of the real-time experiments.

Le carbure de silicium (SiC) possède plusieurs propriétés exceptionnelles comme une large bande interdite, un champ électrique critique et une vitesse de saturation des porteurs élevée pour remplacer le silicium (Si) dans des domaines de fonctionnement jusque-là inaccessibles avec le Si. Un nombre important de démonstrateurs des composants de puissance en SiC faisant état de performances remarquables ainsi que la disponibilité commerciale des composants en SiC confirment la maturité de la filière SiC et montrent les progrès technologiques réalisés au cours des dernières années. Cependant, il existe peu d’études sur les coefficients d’ionisation du SiC, lesquels sont pourtant indispensables pour prévoir précisément la tenue en tension des composants de puissance en SiC. Ce travail contribue donc à mieux déterminer ces coefficients. Pour cela, un bon nombre de diodes spécialement conçues pour la détermination des coefficients d’ionisation du SiC par la technique OBIC (Optical Beam Induced Current) ont été réalisées sur différents wafers de SiC-4H et de SiC-6H, deux polytypes courant du SiC. Cette technique repose sur un faisceau de laser ultraviolet qui génère des paires électrons-trous dans la zone de charge d’espace d’une diode sous test. La mesure du courant résultant permet d’accéder aux coefficients d’ionisation. A partir des mesures OBIC sur les diodes réalisées, nous avons pu déduire les coefficients pour ces deux polytypes du SiC. Plus particulièrement, les coefficients d’ionisation du SiC-4H sont déterminés dans une large gamme de champ électrique grâce aux mesures sur les différents dopages. Les paramètres des coefficients déterminés dans ce travail peuvent être utilisés en conception de dispositifs haute tension pour prédire plus précisément l’efficacité de leur protection périphérique. / Silicon carbide (SiC) has several exceptional properties as a wide band-gap, a high critical electric field and a high saturation velocity of carriers to replace silicon (Si) in the applications previously inaccessible with Si. A significant number of SiC power devices showing outstanding performances and the commercial availability of SiC devices confirm the maturity of SiC industry and show the SiC technological advances in recent years. However, there are few studies on the ionization coefficients in SiC, which nevertheless essential to accurately predict the breakdown voltage of SiC power devices. This work contributes to better determine these coefficients. For this, numerous diodes which are specifically designed for the determination of ionization coefficients in SiC by using OBIC (Optical Beam Induced Current) technique were realized on different wafers of 4H-SiC and 6H-SiC, two usual polytypes of SiC. This technique relies on an ultraviolet laser beam which generates electron-hole pairs in the space charge region of a diode under test. The resulting current measurement provides access to the ionization coefficients. From OBIC measurements performed on the diodes, we were able to deduce the ionization coefficients for the both polytypes of SiC. In particular, the ionization coefficients for 4H-SiC are determined in a wide range of electric field through measurements on devices with different doping level. The parameters of ionization coefficients determined in this work can be used in design of high voltage devices to predict more accurately the efficiency of periphery protections.