Le phénomène d'injection de charges dans des isolants synthétiques et la distorsion du champ électrique qui en découlent représentent un frein au développement des câbles pour le transport d'énergie électrique sous haute tension continue (HVDC). Les solutions au problème sont le plus souvent recherchées en influant sur la formulation des matériaux, en l'occurrence le polyéthylène. La voie explorée dans cette thèse est une alternative consistant à créer une barrière permettant le contrôle de l'injection de charges dans un film de polyéthylène basse densité (LDPE) sous contrainte électrique. La solution proposée et étudiée consiste à modifier la surface du film polymère en y insérant des nanoparticules métalliques, susceptibles de jouer le rôle de pièges profonds et d'écranter le champ électrique, contrôlant ainsi l'injection. Pour cela, des nanoparticules d'argent (NPs d'Ag) sont déposées et recouvertes d'une matrice semi-isolante organosiliciée de type SiOxCy:H. La couche mince nanocomposite est élaborée par procédé plasma. Son épaisseur totale est d'environ 50 nm. Les nanoparticules sont obtenues par pulvérisation cathodique et la matrice environnante est réalisée avec un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Le procédé d'élaboration est mis en œuvre dans le même réacteur en utilisant une décharge asymétrique RF à couplage capacitif entretenue à 13.56 MHz à basse pression du gaz. Une étude de l'influence des conditions opératoires du plasma sur les caractéristiques des NPs d'Ag et sur la matrice environnante a été réalisée. Les caractéristiques définies des NPs d'Ag sont la densité, la taille moyenne et la dispersion des nanoparticules. Les analyses physico-chimiques et structurales de la couche nanocomposite ont permis de valider la maîtrise de la formation des nanoparticules et de ses propriétés. L'évaluation de l'efficacité du dépôt a permis de définir les caractéristiques essentielles pour un contrôle des phénomènes d'injection de charges. Les analyses du comportement de l'ensemble étudié sous contrainte électrique ont été obtenues par des mesures de distribution de charges d'espace par méthode électroacoustique, de courant et de potentiel de surface. Les résultats montrent que la modification de la surface d'un film polymère par une couche mince nanocomposite contenant des NPs d'Ag enterrées à une profondeur contrôlée de la surface de la matrice organosiliciée permet le contrôle parfait de l'injection de charge dans un film de LPDE sous des niveaux de champ électrique usuels pour les applications HVDC. L'impact des caractéristiques de la couche nanocomposite sur l'efficacité du procédé a été évalué. Cette étude prouve le concept et ouvre la voie de la maîtrise des interfaces pour le contrôle de l'injection de charges dans des isolants polymères. / Charge injection phenomenon in electrically insulating polymers and the resultant electric field distortion remain obstacles to the development of cables for electrical energy transport under high voltage direct current (HVDC). Routes to solve the problem are most often looked for by acting on the material formulation, polyethylene in the present case. As alternative route, we explore in this thesis the possibility to develop a barrier layer allowing fine control of the charge injection in low density polyethylene (LDPE) films. The proposed and further studied solution is to tailor the surface of the polymer film by introducing metallic nanoparticles that would act as deep traps and would produce field screening, thus controlling charge injection. To achieve this, silver nanoparticles (AgNPs) are deposited on the LDPE and covered by a thin organosilicon layers of the type SiOxCy:H. The nanocomposite layer with total thickness of about 50 nm is elaborated in a plasma process. The AgNPs are obtained by sputtering of a silver target and the organosilicon matrix is then deposited in a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The deposition process is realized in the same reactor in the plasma of an asymmetric RF capacitively coupled discharge maintained at 13.56 MHz at low gas pressure. The obtained characteristics for the AgNPs are for their mean size, density and dispersion. The physico-chemical and structural analyses of the nanocomposite layer allowed identifying the plasma operating conditions to control the AgNPs properties. From the evaluation of the efficiency of the AgNPs/organosilicon stack against charge injection, a detailed description of the required properties of the nanocomposite layer for the control of the charge injection phenomenon was derived. The behaviour of the studied structure, nanocomposite layer deposited on the surface of LDPE film, under electrical stress was studied by space charge measurement through the Pulsed Electro-Acoustic (PEA) method, current and surface potential decay measurements. The obtained results show that tailoring the surface of polyethylene film by very thin nanocomposite layer containing AgNPs embedded at a controlled distance from the free surface of the organosilicon matrix permits suppression of charges injection in LDPE films. The impact of nanocomposite layer structure on the efficiency of the barrier effect was evaluated. The mitigation effect is observed up to the typical service electric field for HVDC applications. This study presents a proof-of-concept and opens the way for interface tailoring to control the charge injection in electrically insulating polymers.

Ce travail de thèse étudie les moyens d’étendre les zones de charge d’espace des photodiodes PN d’un imageur CMOS afin d’améliorer la collection des charges photogénérées dans le silicium, en particulier dans le proche infra-rouge. Deux possibilités sont abordées : l’augmentation de la tension de polarisation des photodiodes et la diminution du dopage du silicium. Dans un premier temps, une étude théorique articulée autour de modèles analytiques et de simulations TCAD montre les difficultés technologiques pour parvenir à une augmentation de polarisation des photodiodes, ainsi que les conséquences de l’utilisation de substrats résistifs sur les éléments de l’imageur et sur ses performances. Ces simulations permettent de définir les éléments influençant l’extension de la charge d’espace d’un pixel. Sur la base de cette étude, un imageur CMOS à pixel 3T a été développé et fabriqué sur substrat float-zone très fortement résistif afin de valider les observations théoriques. La caractérisation de ce composant confirme la dépendance de la zone dépeuplée à la conception du pixel. Elle démontre également la corrélation entre l’extension des zones dépeuplées et les performances électro-optiques. Des règles de conception sont définies permettant d’optimiser les performances tout en limitant les courants de fuite entre pixels. / This work investigates solutions to extend the space charge region in CMOS image sensors in order to enhance the photo-generatedcharge collection from near-infraredradiations. Photodiode bias increase and low doped silicon substrate are proposed for this study. A theoretical analysis based on analytical model and TCAD simulations shows technological difficulties for photodiode bias in crease and the consequences of using high-resistivity silicon substrates on the imager performances. Space charge region dependency on the pixel design is assessed through simulations. A 3T pixel CMOS image sensor was developed and fabricated on a high resistivity float-zone silicon. Sensor characterization confirms space charge region dependency on the pixel design and the correlation between its extension and electro-optical performances. Design rules are defined to optimize electro-optical performances while limiting punchthrough current in the pixels array.

Les matériaux diélectriques sont utilisés dans le domaine de l'aérospatial pour assurer la régulation thermique des engins spatiaux. Ils sont soumis à un environnement chargeant composé de rayonnements ionisants tels que les électrons ou les protons. Un stockage de ces charges se produit dans le volume du matériau et engendre des dégradations et un vieillissement prématuré amenant à une perte de fiabilité globale du système qui doit être anticipée. Le but de ce travail de thèse a été d'évaluer la densité de charges d'espace injectées au sein d'un matériau diélectrique pendant une irradiation électronique afin de recréer partiellement l'environnement radiatif auquel il peut être soumis. Pour mener à bien ce projet, nous avons utilisé un dispositif expérimental basé sur la méthode Electro-Acoustique Pulsée (PEA) couramment utilisé dans le domaine du génie électrique. Nous avons développé une électrode de mesure innovante sans contact et circulaire permettant la mesure pendant irradiation électronique car les dispositifs expérimentaux précédents ne le permettaient pas. Ce type de mesures n'avait jamais été réalisé ailleurs auparavant, ce qui un vrai apport pour ce domaine d'étude car il permet de conserver l'échantillon dans une configuration proche de son utilisation finale. L'électrode est basé sur une ligne de transmission de type microstrip. Dont les caractéristiques géométriques ont été déterminées d'une part avec le logiciel Orcad PCB Editor, mais aussi avec le logiciel COMSOL Multiphysics. La validation expérimentale a été menée et les premières mesures réalisées dans l'enceinte d'irradiation MATSPACE du laboratoire ont permis de mettre en évidence le bon fonctionnement de l'électrode et de valider les résultats de simulation obtenus précédemment. Le traitement du signal a également été adapté pour cette nouvelle configuration. Une étude a ensuite été menée avec différentes énergies cinétiques (comprises entre 50 et 100 keV) et différentes densités de flux électronique (0.5 à 2 nA/cm2) pour la phase d'irradiation suivi d'une phase de relaxation (maintien de l'échantillon sous vide) afin de suivre la dynamique des charges d'espace implantées au sein du diélectrique. La représentation par cartographie de la quantité de charges injectées en volume permet de suivre aisément l'évolution de cette dernière en fonction du temps. Ce travail de thèse a permis d'atteindre les objectifs fixés concernant la réalisation de mesures pendant une irradiation électronique. Ce dispositif de caractérisation peut également être utilisé sur des films polymères issus du domaine du génie électrique, les conditions d'irradiation étant contrôlées. Dans un futur proche, ce prototype d'électrode pourra être associé à un capteur à haute résolution spatiale développé dans l'équipe pour un système encore plus performant. / Dielectric materials are widely used in space industries to ensure the spacecrafts thermal regulation. Spacecrafts are submitted to charging environment made of ionizing rays as electrons and protons. These charges are trapped in the material bulk and cause degradations and premature ageing and a global loss of reliability which had to be anticipated. The aim of this work was to evaluate the injected space charges density in a dielectric material during an electronic irradiation in order to partially reproduce the radiative environment. To lead this study, we used an experimental set up based on Pulsed Electro Acoustic (PEA) Method commonly used in electrical engineering. We have developed a new ring and contactless excitation electrode allowing to perform measurements during an electronic irradiation because the previous experimental setups don't allow to realize measurements during an electronic irradiation. This kind of measurements are performed for the first time ever in scientific research which is a real innovation for this research field because it is possible to keep the dielectric sample under vacuum and to be near the space environment. The new electrode is based on a signal transmission line (microstrip). Its geometric characteristics have been determined with two softwares as Orcad PCB Editor and COMSOL Multiphysics. The experimental validation has been led and the first measurements are performed in the irradiation chamber called MATSPACE allowing to highlight the good working of this new electrode and to validate the simulation results previously obtained. Moreover, the signal treatment has been adapted for this new configuration. A study has been also led with several kinetic energies ( 50 to 10 keV) and with several electronic flux density ( 0.5 to 2 nA/cm2) for the irradiation step followed by a relaxation step ( the sample is kept under vacuum) in order to to follow the injection dynamic of the injected electrons in the sample bulk. The space charge cartography representation allow to easily follow the dynamic injection. This work enabled to reach the differents objectives concerning the realizatiion of the space charges measurements during an electronic irradiation. This characterization setup can be used with several dielectric material used in electrical engineering, irradiation conditions being controlled. In next futur, this electrode prototype could be coupled with a very thin piezoelectric sensor to improve the spatial resolution to lead to a high temporal and spatial measurements system.

Polymeric insulating materials are being re-evaluated in the context of the re-emergence of HVDC and its advantages in bulk power transfer over long distances. This has been met with new sets of requirement such as; the use of polymeric insulation, compaction of HV equipment (e.g. HV cables), and innovations in converter technology. This equipment requires high power rating and hence will be exposed to high electric stresses. One of the properties of polymeric DC insulation is its ability to retain injected charges at high DC fields leading to local field modification and subsequent breakdown of the insulation through electrical treeing. Electrical treeing is one of the important failure mechanisms of solid polymeric insulations resulting from high voltage stresses and a precursor to failure of electrical equipment. Hence, the performance and reliability of polymeric insulation designs will be affected by electrical treeing. Literature shows that electrical trees initiate easily with switching voltages such as impulses, voltage surges and reversal of power flow direction. Innovations in converter technology employs fast switching devices such as insulated gated bipolar transistors (IGBTs) which generates substantial amount of harmonics and may also impact insulation systems reliability. This research investigates the reliability of epoxy resin (LH/HY 5052) for suitability in HVDC applications due to its excellent properties as jointing compound in medium and high voltage cables systems. The development of test facilities for short term breakdown strength, space charge measurement and electrical treeing experiment have allowed short term breakdown strength on homogeneous layers of thin epoxy-epoxy samples and long term breakdown through electrical treeing under DC, AC and AC superimposed on DC to be investigated so that an understanding of the link between space charge, material strength and life times can be clarified. The results on short term breakdown showed the layered samples have 6% reduction in strength compared to un-layered samples. For long term treeing test, 100% of the samples stressed with negative DC did not fail while 67% of the sample stressed with positive DC failed with average lifetime of 250 minutes. Samples stressed under AC showed forward and reverse directions of tree growth with average lifetime of 143 minutes from 70% failed samples. For AC superimposed on ±DC all samples failed with average lifetimes of 54 and 78 minutes for positive and negative bias tests, respectively. It is concluded that, the differences in lifetime obtained under positive and negative pure DC tests and that of the positive and negative DC bias tests are associated with space charge causing field relief under negative DC and negative bias tests. The huge reduction in lifetimes under AC superimposed on DC as ripples tests highlights the potential threat of power quality issues on the reliability of DC systems. Electrical tree growth from the ground planer electrode (reverse tree) observed under AC test was associated with relatively low voltage under AC test compared with the other tests see Table 8-1 for test voltages employed.

Neste trabalho estudou-se o movimento de uma carga espacial sobre uma matriz fixa, de densidade uniforme, tanto em circuito aberto como fechado. No primeiro caso, circuito aberto, a solução é quase trivial comparada com o outro caso, no qual o problema é finalmente reduzido a uma equação diferencial ordinária, com método de solução análogo ao empregado em problemas de carga espacial monopolar livre. Como ilustração, estudou-se a voltagem e a corrente produzidas por um sistema com carga total nula, mas com excessos locais de carga / In this work the motion of a space charge cloud embedded in a matrix of Constant immobile charge density is studied in open as well as in closed circuit. In the first case, open circuit, the solution is almost trivial as compared as the other one in which, after some work, the problem is reduced to an ordinary diffetential equation. The method of solution is parallel to that employed in the study of monopolar free space charge motion. The voltage and the current produced by a system with no net charge but with unbalanced local charge density were calculated using the general equations derived in the first part of the work

La modulation de la densité de charge est un aspect important de l'étude de les transitions de phase électroniques ainsi que des propriétés électroniques des matériaux et il est à la base de plusieurs applications dans la micro-électronique. L'ajustement de la densité des porteurs de charge (dopage) peut être fait par voie chimique, en ajoutant des atomes étrangers au réseau cristallin du matériau ou électrostatiquement, en créant un accumulation de charge comme dans un Transistor é Effet de Champ. Cette dernier m ethode est réversible et particuliérement appropriée pour les matériaux bidimensionnels (2D) ou pour des couches ultra-minces. Le Dopage par Charge d'Espace est une nouvelle technique inventée et développée au cours de ce travail de thèse pour le dopage electrostatique de matériaux déposés sur la surface du verre. Une charge d'espace est créée à la surface en provoquant le mouvement des ions sodium présents dans le verre sous l'effet de la chaleur et d'un champ électrique extérieur. Cette espace de charge induit une accumulation de charge dans le matériau déposé sur la surface du verre, ce qui peut être supérieure à 10^14/cm^2. Une caractérisation détaillée faite avec mesures de transport, effet Hall, mesures Raman et mesures de Microscopie a Force Atomique (AFM) montrent que le dopage est réversible, bipolaire et il ne provoque pas des modifications chimiques. Cette technique peut être appliquée a des grandes surfaces, comme il est montré pour le cas du graph ene CVD. Dans une deuxiéme partie le dopage par espace de charge est appliqué à des couches ultra-minces (< 40 nm) de ZnO_(1-x). Le résultat est un abaissement de la résistance par carré de 5 ordres de grandeur. Les mesures de magnéto-transport faites à basse température montrent que les électrons dop es sont confinés en deux dimensions. Une transition remarquable de la localisation faible à l'anti-localisation est observée en fonction du dopage et de la température et des conclusions sont tirées à propos des phénoménes de diffusion qui gouverne le transport électronique dans des diff erentes conditions dans ce matériau. / Carrier modulation is an important parameter in the study of the electronic phase transitions and the electronic properties of materials and at the basis for many applications in microelectronics. The tuning of charge carrier density (doping) can be achieved chemically, by adding foreign atoms to the crystal structure of the material or electrostatically, by inducing a charge accumulation like in a Field Eect Transistor device. The latter method is reversible and particularly indicated for use in two dimensional (2D) materials or ultra-thin films. Space Charge Doping is a new technique invented and developed during this thesis for the electrostatic doping of such materials deposited on a glass surface. A space charge is created at the surface by causing sodium ions contained in glass to drift under the Eect of heat and an external electric field. This space charge in turn induces a charge accumulation in the material deposited on the glass surface which can be higher than 10^14/cm^2. Detailed characterization using transport, Hall effect, Raman and AFM measurements shows that the doping is reversible, ambipolar and does not induce chemical changes. It can be applied to large areas as shown with CVD graphene. In a second phase the space charge doping method is applied to polycrystalline ultra-thin films (< 40 nm) of ZnO_(1-x). A lowering of sheet resistance over 5 orders of magnitude is obtained. Low temperature magneto-transport measurements reveal that doped electrons are confined in two dimensions. A remarkable transition between weak localization and anti-localization isobserved as a function of doping and temperature and conclusions are drawn concerning the scattering phenomena governing electronic transport under different conditions in this material.

This thesis concerns with electrical and optoelectical properties of thin organic semiconductor layers. In the research, organic electroluminescent devices were prepared and the effect of illumination and inclusion of organic interlayers, that act as alternative electrodes, on charge injection and transport were investigated on them by means of electrical measurement and impedance spectroscopy. On the basis of measured data, the thesis attempts to determine materials best suited for interlayers, which could make an improvement of electric properties of electroluminescent devices possible. The sence of using a combination of direct current measurement and impedance spectroscopy was also discussed in the thesis.

L’étude de la dynamique d’un faisceau d’ions de haute intensité dans les lignes de basse énergie (LBE)représente l’un des défis majeurs de la science des accélérateurs. basse énergie, cette dynamique est dominée par le champ de charge d’espace induit par le faisceau lui-même, qui en général est non linéaire et peut entrainer des phénomènes de halo, de grossissement d’émittance et de pertes de faisceau. Toutefois, un faisceau à basse énergie se propageant dans une LBE induit l’ionisation du gaz résiduel présent dans la chambre. Les particules (ions et électrons) issues de l’ionisation sont repoussées ou attirées radialement par le champ de charge d’espace en fonction du signe de leur charge. D’autres réactions physiques ont lieu dans la ligne basse énergie, jouant ainsi un rôle dans la dynamique du faisceau et sur l’établissement du temps et du taux de compensation de charge d’espace. Afin d’obtenir des résultats prédictifs et fiables quantitativement, des simulations de transport de faisceau en régime de compensation de charge d’espace avec le code de calcul warp ont été réalisées en prenant également compte les réactions physiques les plus probables. On discutera ensuite des résultats de ces simulations en lien avec ceux issus de différentes compagnes de mesure réalisées auprès des LBE des projets MYRRHA et IFMIF. / The study of intense ion beam dynamics in lowenergy beam transport line (LEBT) representsone of the most important challenges inaccelerating sciences. At low energy, it isdominated by the space-charge field created bythe beam itself, which is generally non-linearand can induce halo, emittance growth and beamlosses. But, a ion beam at low energypropagating in a LEBT ionises the residual gas.The particles (ions and electrons) fromionisation are repelled or confined radially bythe space charge field according to their chargesign.Other interactions take place in the LEBT,modifying the beam dynamics and the space chargecompensation time and the space-chargecompensation yield. In order to obtain predictiveand precise results quantitatively, numericalsimulations of beam transport in space-chargecompensation regime with WARP code havebeen realized taking account the most probablephysical interactions. Then, we will discuss theresults with comparisons with experimental dataobtained on the MYRRHA and IFMIF LEBT’s

A bipolar charge transport (BCT) model is used to simulate charge injection and transportdynamics inside insulation material which are used in a high voltage direct current (HVDC)cable. Gaining knowledge about space charge density and electric field distribution in theinsulation material enables minimising charge injection at the metal-insulator interface andavoiding unnecessary energy loss. Simulation methods using the numerical Finite ElementMethod (FEM) are implemented in COMSOL multiphysics in order to investigate the effect ofchemical structure such as dipoles, physical defects such as interface roughness and impurityconcentration leading to ions, on the potential barrier and charge injection at the interface.Interface dipoles such as surface dipoles or chemical dipoles can increase or decrease thepotential barrier at the interface depending on direction/orientation of the dipole. Moreover,using a field enhancement factor to include the effect of interface roughness at the interfaceyields increased charge injection when higher values of the field enhancement factor wereused. The barrier height becomes therefore locally lower where the degree of roughness ishigher. Including the effect of ions, the electric field was observed to be enhanced near theelectodes, where it was weakened in the middle of the insulation, depending on the amount ofthe impurity concentration inside the insulation. Improvement on the charge injection lows isalso done using a combination of both Richardson-Schottky and Fowler-Nordheim chargeinjection laws to include both a classical and a quantum mechanical description in the BCTmodel. Solving for the transmission coefficient from Schrödinger equation could improve theaccuracy of Fowler-Nordheim as well. Including potentials due to image effect or chemicalcompositions such as water dipoles will affect the charge injection barrier and the transmission coefficient.

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