Compréhension et maîtrise des phénomènes intervenant sous haute tension à l'interface entre un gaz et un isolant solide.Dans le cadre du remplacement du SF6 dans les appareils moyenne tension, une étude de l’isolation électrique mixte (gaz (air) / solide isolant) a été réalisée. L’objectif étant de déterminer l’influence de la nature du solide sur la tenue au claquage. Pour cela plusieurs matériaux ont été sélectionnés tel que l’époxy / silice (matériau de référence chez Schneider Electric), le PA6T/66.GF50 (nouveau matériau pour cette application) ainsi que plusieurs autre matériaux permettant une meilleure compréhension du phénomène (PTFE, PC, PP, …). Les caractérisations diélectriques ont permis de mesurer des déclins de potentiel, des courants volumiques ainsi que des permittivités en fonction de la nature des matériaux. A partir de ces données, des mesures de claquage ont été effectuées. Deux configurations de champ électrique ont été testées (parallèle et perpendiculaire au solide). La géométrie « pointe-plan » a été sélectionnée, permettant l’observation de décharges partielles avant le claquage et donc une étude de la propagation de la décharge et non de l’initiation de celle-ci. Ces mesures ont permis de déterminer l’influence du solide sur la tension de claquage, avec une influence indirecte de la nature du matériau et sa teneur en eau. Dans notre configuration, la présence d’un isolant solide dégrade la tenue diélectrique. La permittivité est le paramètre influençant la tension de claquage, avec une réduction de celle-ci en présence de matériaux à forte permittivité (comme l’alumine). Aucun lien n’a pu être mis en évidence entre les mesures de déclin de potentiel et les tensions de claquage. Pour caractériser le développement de la décharge électrique le long de l’isolant solide, des visualisations et des mesures de courant ont été réalisés. Les visualisations ont permis d’observer deux types de décharges menant avant le claquage. Dans un premier temps le développement d’une décharge en surface « streamer de surface », puis celui d’une décharge dans le gaz « streamer de volume ». Ces observations ont permis de conclure que le streamer menant au claquage se développe majoritairement dans l’air en configuration de champ parallèle. Les mesures de courant ont apporté des informations sur l’initiation de la décharge, en montrant une réduction de la tension et du temps d’initiation de la décharge en présence d’un solide. Des résultats semblables ont été obtenus pour une large gamme de matériaux. Cependant certains matériaux de faible permittivité (PP, PTFE) se distinguent avec des tensions et des temps d’initiation retardés et aléatoires, semblables à ceux obtenus dans l’air sans solide. Il a été montré que l’initiation et la propagation n’influencent pas la tension de claquage en géométrie pointe-plan. Celle-ci est déterminée par la transition au claquage.Mots-clés : appareillages moyenne tension, tension de claquage, caractérisation diélectriques, streamers, courant transitoires, visualisations. / Comprehension and control of phenomena occurring under high voltage at the interface between a gas and a solid insulator.In the context of SF6 replacement in medium-voltage apparatus, a study of mixed electrical insulation (gas (air) / insulating solid) was carried out. The aim is to determine the influence of the nature of the solid on breakdown voltage. For this purpose several materials have been selected such as epoxy / silica (reference material of Schneider Electric), PA6T / 66.GF50 (new material for this application) and several other materials allowing a better understanding of the phenomenon (PTFE, PC, PP, ...). The dielectric characterizations allowed us to measure potential decay, currents and permittivities according to the nature of the materials. From this data, breakdown measurements have been carried out. Two configurations of electric field were tested (parallel and perpendicular to the solid). The "point-to-plane" geometry was selected, allowing the observation of partial discharges before breakdown and therefore a study of the propagation of the discharge and not of the initiation. These measurements show the influence of the solid on the breakdown voltage, with an indirect influence of the nature of the material and its water content. In our configuration, the presence of a solid insulator lowers the dielectric strength. The relative permittivity is the main parameter influencing the breakdown voltage, with a reduction of it in the presence of materials with high permittivity (alumina). It was not possible to establish a link between surface potential decay measurements and breakdown voltages. In order to characterize the development of the electric discharge along the solid insulation, visualizations and transient current measurements were achieved. The visualizations allowed the observation two types of discharges before the breakdown. First, the development of a surface discharge "surface streamer", followed by a discharge in the gas "volume streamer". These observations lead us concluding that streamers leading to breakdown develop predominantly in air above the surface in the parallel field configuration. Current measurements provide information on the initiation of the discharge. There exists a reduction of voltage and initiation time of the discharge in the presence of a solid. Similar results have been obtained for a wide range of materials. However, several low permittivity materials (PTFE, PP) show a different behaviour, with higher and scattered time delay and initiation voltage, similar to those obtain in air without solid. It has been shown that initiation and propagation do not influence the breakdown voltage in poi nt-plane geometry. The transition to breakdown mainly determines the breakdown voltage.Key words: medium voltage apparatus, breakdown voltage, dielectric characterization, streamers, transient currents, visualizations.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la fiabilité et la cyclabilité des jonctions Tunnel magnétique pour mieux comprendre les mécanismes de dégradation et de claquage de la barrière. Une étude de l'endurance de la barrière MgO jusqu'au claquage électrique est présentée. Les échantillons ont été testés sous un mode impulsionnel. Par l'étude de l'effet de retard entre des impulsions successives, une durée de vie optimale des JTM est observée pour une valeur intermédiaire de retard entre les impulsions correspondant à un compromis optimal entre la densité moyenne de charge piégée dans la barrière et la modulation temporelle de charge. En outre, un modèle de piégeage / dépiégeage de charge a été développé qui appuie cette interprétation. L'étude souligne le rôle des pièges de charges dans le mécanisme de claquage de la barrière tunnel. Elle montre aussi que l'endurance extrêmement longue pourrait être obtenue en réduisant la densité des sites de piégeage d'électrons dans la barrière tunnel. Puis, une étude de l'endurance et le bruit basse fréquence a été dans les jonctionS CoFeB/MgO/CoFeB pour STT-MRAM ou TA-MRAM. Une corrélation a été observée et expliquée par la présence de sites de piégeage d'électrons dans la barrière de MgO et le rôle des phénomènes de charge/ décharge à la fois dans la fiabilité et la puissance du bruit en 1 / f électrique. Ces résultats prouvent que le test du bruit basse fréquence peut être utilisé comme une caractérisation prédictive de l'endurance. Enfin, en perspectives, des mesures complémentaires en été proposées pour développer plus le modèle de charge/décharge, une optimisation de la barrière pourrait ainsi être réaliser pour réduire le nombre des pièges de charge au sein de la barrière et par conséquent améliorer la fiabilité des jonctions Tunnel.

Ce travail concerne l'étude de l'utilisation des décharges électriques pour traiter des solutions aqueuses contenant des polluants organiques. Lorsque l'énergie électrique est injectée dans la décharge, grâce aux électrons énergétiques elle est en partie convertie en énergie chimique, c'est-à-dire en espèce radicalaires et excitées, qui vont pouvoir réagir sur les molécules présentes et dégrader des polluants. Trois types de décharges électriques ont été analysés : streamer dans l'eau qui est principalement étudiée dans ce travail, arc transitoire dans l'eau et décharge couronne dans l'air humide au-dessus de la surface de l'eau. Un interrupteur à semi-conducteur, permettant d'appliquer une impulsion de tension calibrée, est employé pour minimiser l'énergie perdue par effet Joule, supprimer le claquage, et ainsi optimiser le procédé. En utilisant des électrodes pointe-plan, le type de décharge est choisi en changeant la distance et la durée de l'impulsion de tension. Une étude sur la caractérisation électrique des streamers est effectuée en fonction de la tension appliquée et de la conductivité de la solution afin d'établir un bilan d'énergie électrique dépensée pour créer des streamers. Le rendement énergétique et l'efficacité des trois méthodes sur la dégradation de trois polluants - types sont mesurés par analyses chimiques (dosage par HPLC, mesure de Carbone Organique Total).

Additionnée de grains de silice, la résine époxyde est couramment utilisée pour mouler des pièces métalliques sous haute tension, comme les enroulements de transformateurs utilisés dans la distribution électrique ou la traction ferroviaire. La résine peut être soumise à l'influence de l'environnement extérieur. Les propriétés électriques de la résine époxyde sous polarisation continue sont fortement affectées par la transition vitreuse. A l'état vitreux, le courant est limité par charge d'espace (SCLC). Une injection bipolaire peut conduire à un renforcement de champ au cœur du matériau de l'ordre de 40%. A l'état caoutchoutique, le courant est limité par l'injection de charges (effet Schottky). Les charges négatives sont distribuées dans toute l'épaisseur inter-électrodes. Sous contrainte de température et d'humidité, on assiste à une chute des propriétés électriques sous tension alternative: résistance, tension d'apparition des décharges partielles, tension de claquage. L'analyse physico-chimique montre que cela résulte d'un effet physique d'accumulation d'eau aux interfaces grains de silice/polymère. Cette couche d'eau à l'interface silice/polymère est thermodynamiquement inévitable. Sur un modèle expérimental macroscopique d'interface (peignes inter-digités), cette accumulation d'eau a provoqué une chute de deux décades de la résistivité. Le changement de phase des couches d'eau submicroniques et l'expansion des cavités gazeuses par compression de la résine peuvent expliquer l'apparition de ces décharges. Des phénomènes de condensation de l'eau à l'interface métal/polymère peuvent également conduire à la décohésion observée des matériaux et provoquer une chute des propriétés électriques. Ces observations participent à la formulation des matériaux et au dimensionnement des matériels et mettent en évidence un mode de rupture diélectrique qui peut concerner à un certain nombre d'isolations composites.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique des MRAM, nouvelles mémoires non volatiles utilisant des propriétés originales de l'électronique de spin. Le but de ce travail a été principalement de démontrer qu'un nouveau concept de MRAM était possible afin de passer outre les limitations imposées par chacune des générations déjà existantes (TA-MRAM et STT-RAM). Pour cela, leurs avantages respectifs ont été combinés, à savoir la stabilité thermique pour la TA-MRAM et l'écriture sans champ magnétique pour la STT-RAM. C'est ainsi qu'a été donnée au cours de cette étude la première démonstration de STT-TA-MRAM ainsi qu'une optimisation de ses propriétés grâce une structure améliorée. Le retournement de la couche de stockage par couple de transfert de spin a donc été au centre de ces recherches. Un montage expérimental innovant a également permis d'observer le retournement de l'aimantation en temps réel dans le but de mieux comprendre la physique de l'écriture. Enfin, la problématique de la durée de vie des barrières tunnel a été abordée montrant que celles-ci claquent plus lentement que prévu pour les impulsions courtes.

Ce travail porte sur la caractérisation des décharges glissantes se propageant aux interfaces liquide/solide, sous différentes formes de tension (impulsionnelle, continue et alternative) en géométrie pointe-plan. Il est montré que la nature et l'épaisseur du solide isolant, la forme de la tension, la polarité des électrodes ainsi que la pression, jouent un rôle important dans la génération, la propagation et la forme générale des décharges glissantes. La longueur finale des décharges Lf augmente linéairement avec la tension appliquée; Lf diminue lorsque l'épaisseur augmente. Pour un même niveau de tension, Lf est nettement plus élevé en alternatif qu'en impulsionnel ou en continue, et par conséquent les tensions de contournement sont plus faibles. Pour une tension donnée, Lf augmente avec la permittivité de l'isolant solide. Les décharges générées sous tension alternative et sous tension continue, se distinguent par un aspect non-radial, contrairement à celles observées sous tension impulsionnelle. Les courants associés aux décharges glissantes sont globalement similaires à ceux observés dans le volume du liquide. Il a été également mis en évidence l'existence d'une décharge secondaire de signe opposé à la tension appliquée, résultat de l'accumulation de charges d'espace à la surface de l'isolant solide. Sous tension continue, les tensions de génération des décharges dépendent fortement de la nature du solide isolant; elles sont généralement beaucoup plus élevées que celles enregistrées sous tension impulsionnelle et alternative. Avec certains matériaux solides, comme le verre, le Polycarbonate, Polyéthylène et le Polypropylène, nous n'avons pu observer de décharges glissantes. Un modèle de calcul de la charge totale associée à la décharge a été établi. Une relation entre la nature du matériau solide et son épaisseur, et la dimension fractale D des décharges se propageant sur sa surface a été proposée. D augmente lorsque l'épaisseur du solide diminue et/ou sa permittivité diélectrique augmente indiquant ainsi l'implication des phénomènes capacitifs sur le mode de propagation des décharges glissantes.

L'étude de l'allumage d'un mélange gazeux combustible/comburant est d'un intérêt fondamentale et d'une importance cruciale dans les moteurs à combustion interne et dans les turbines à gaz. Une nouvelle méthode d'allumage, récemment utilisée, consiste à créer une étincelle par focalisation d'un faisceau laser.<br />L'objectif du présent travail est d'effectuer une étude paramétrique de ce mode d'allumage pour des mélanges en phases liquides dispersées et gazeuses, ainsi que d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes physiques liés au claquage optique, aussi bien dans l'air que dans les mélanges inflammables. Les plasmas rencontrés sont caractérisés, en termes de concentrations et de températures électroniques, avant d'aborder l'étude paramétrique du claquage dans l'air et de l'allumage des mélanges gazeux et diphasiques inflammables. L'importance de la dynamique induite par l'étincelle laser sur l'évolution de la structure et de la forme du noyau d'allumage est considérée. Le rôle des aberrations, et en particulier de l'aberration sphérique, est soigneusement étudié du point de vue théorique. Des conclusions importantes sur l'interprétation des résultats expérimentaux sont dégagées. La détermination des seuils de claquage, ainsi que l'identification des processus déterminants, sont analysés à la lumière d'un modèle basé sur la détermination de l'évolution de la concentration d'électrons libres dans le volume focal. Finalement, la faisabilité de l'allumage laser à la sortie d'un injecteur prévaporisé, prémélangé en régime pauvre est démontrée.

Cette thèse traite du problème de la tenue en tension des composants de puissance, discrets ou intégrés. Elle concerne l'étude des techniques de garde de jonctions qui permettent d'obtenir une efficacité de protection maximale, c'est-à-dire d'approcher au mieux la tenue en tension de la jonction idéale plane. Nous étudions le fonctionnement et les règles de conception de deux techniques de linéarisation de potentiel : les anneaux diffusés polarisés et la spirale de SIPOS. Le travail réalisé ici comporte les points-clés suivants :<br />- compréhension et analyse du fonctionnement statique et dynamique,<br />- détermination des règles de conception : évaluation des paramètres critiques pour des tenues en tension de 1000V. Les paramètres importants de cette étude sont : la surface occupée, la complexité technologique de réalisation, la sensibilité à la technologie (les charges dans l'oxyde),<br />- réalisations de structures tests sur silicium. Les principaux résultats obtenus sont les suivants : réalisations de diodes de calibre 600 à 1200 V, efficacité de protection de 95 % (anneaux polarisés et SIPOS spirale), insensibilité aux charges d'interface, robustesse vis-à-vis des tolérances de la technologie, grande tolérance sur les règles de dessin.

Que ce soit dans l‟étude du claquage sous vide ou dans les sources d‟électrons par effet de champ, l‟émission électronique est un phénomène physique essentiel qui a lieu et devient dominante à la cathode sous haute tension. Dans le cas du claquage sous vide, la première étape de ce mécanisme est l‟émission d‟électrons au sommet de rugosités présentes sur la surface. Celles-ci peuvent être représentées sous la forme de pointes. Dans le cas des sources d‟électrons, l‟émission des électrons peut se faire au niveau d‟émetteurs qui eux aussi peuvent être décrits sous la forme de « pointes » distribués de manière ordonnée sur la surface. Un modèle numérique décrivant l‟émission thermo-ionique assistée par effet de champ a été développé dans le cas d‟une pointe axisymétrique et dont le traitement peut être réduit en 2D.Il s‟agit là d‟un problème multi-physique couplé nécessitant la résolution de problèmes de différentes natures : quantiques, électrostatique, électrocinétique et thermique. A partir de ce modèle, l‟étude de l‟émission et du claquage au sommet d‟une pointe soumise à une pulse électrique de l‟ordre de la nanoseconde a été étudiée. L‟étude de l‟émission électronique sur une cathode soumise à la haute tension et illuminé par un laser picoseconde a ensuite été faite en développant un modèle qui décrit notamment le chauffage du métal en régime hors équilibre. Enfin, dans le cas du claquage sous vide, la modélisation de l‟interaction entre des microparticules, présente dans l‟espace inter-électrodes,et de l‟émission électronique provenant du sommet d‟une rugosité a été realisée. Différents régimes de trajectoires de la microparticules ont été observée suivant le courant appliqué au sommet de la rugosité. / Electron emission in vacuum from a cathode at high voltage is an important physical phenomenon for the study of vacuum breakdown or electron sources. In the vacuum breakdown, the first step of this mechanism is electron emission at the top of the microprotrusions on the surface. Microprotrusions or emitters in electron sources have the shape of a tip. A numerical model describing the thermo-field emission has been developed for a 2D axisymmetric tip. The problem is multi-physical and it is necessary to solve problems of different natures: quantum mechanics, electrostatic, electric current and thermal heating. With this model, it is possibleto study electron emission and vacuumbreakdown when nanosecond high voltage pulses are applied. Furthermore, the study of electron emission when a picosecond pulsed laser illuminates a high voltage cathode has been performed. A new model has been developped to describe the photo-electric effect and a two-temperature model has been implemented to describe the heating of the cathode in a non-equilibrium regime. Finally, the modeling of the interaction between microparticles and electron emission from microprotusions has been realised, in order to study the breakdown voltage. Different trajectories of microparticles have been identified based on the results, depending on the electron emission current.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la fiabilité et la cyclabilité des jonctions Tunnel magnétique pour mieux comprendre les mécanismes de dégradation et de claquage de la barrière. Une étude de l'endurance de la barrière MgO jusqu'au claquage électrique est présentée. Les échantillons ont été testés sous un mode impulsionnel. Par l'étude de l'effet de retard entre des impulsions successives, une durée de vie optimale des JTM est observée pour une valeur intermédiaire de retard entre les impulsions correspondant à un compromis optimal entre la densité moyenne de charge piégée dans la barrière et la modulation temporelle de charge. En outre, un modèle de piégeage / dépiégeage de charge a été développé qui appuie cette interprétation. L'étude souligne le rôle des pièges de charges dans le mécanisme de claquage de la barrière tunnel. Elle montre aussi que l'endurance extrêmement longue pourrait être obtenue en réduisant la densité des sites de piégeage d'électrons dans la barrière tunnel. Puis, une étude de l'endurance et le bruit basse fréquence a été dans les jonctionS CoFeB/MgO/CoFeB pour STT-MRAM ou TA-MRAM. Une corrélation a été observée et expliquée par la présence de sites de piégeage d'électrons dans la barrière de MgO et le rôle des phénomènes de charge/ décharge à la fois dans la fiabilité et la puissance du bruit en 1 / f électrique. Ces résultats prouvent que le test du bruit basse fréquence peut être utilisé comme une caractérisation prédictive de l'endurance. Enfin, en perspectives, des mesures complémentaires en été proposées pour développer plus le modèle de charge/décharge, une optimisation de la barrière pourrait ainsi être réaliser pour réduire le nombre des pièges de charge au sein de la barrière et par conséquent améliorer la fiabilité des jonctions Tunnel. / The thesis objective is to study the Magnetic Tunnel Junction reliability and cyclability to more understand the barrier breakdown mechanisms. An investigation of barrier endurance till electrical breakdown in MgO-based magnetic tunnel junctions (MTJs) is presented. Samples were tested under pulsed electrical stress. By studying the effect of delay between successive pulses, an optimum endurance of MTJs is observed for an intermediate value of delay between pulses corresponding to an optimum trade-off between the average density of charge trapped in the barrier and the amplitude of its time-modulation at each voltage pulse. Furthermore, a charge trapping/detrapping model was developed which support this interpretation. The study emphasizes the role of electron trapping/detrapping mechanisms on the tunnel barrier reliability. It also shows that extremely long endurance could be obtained in MTJs by reducing the density of electron trapping sites in the tunnel barrier. Then the write endurance and the 1/f noise of electrical origin were characterized in CoFeB/MgO/CoFeB MTJ for STT-MRAM or TA-MRAM. A correlation was observed and explained by the presence of electron trapping sites in the MgO barrier and the role of electron trapping/detrapping phenomena in both the MTJ reliability and its 1/f electrical noise power. These results suggest that 1/f noise could be used as a predictive characterization of the MTJ endurance. Finally, as thesis perspectives, some complement measurements were proposed to further investigate this model and an optimization of MgO barrier which could be carried out to reduce the density of these trapping sites was presented to ameliorate the MTJs reliability.