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N d ordre : 02-ISAL-0040 Année (6( résentée devant L INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES ALIQUEES DE LYON our obtenir /(*5$'('('2&7(85 FORMATION DOCTORALE : Génie Electrique ECOLE DOCTORALE : Electronique, Electrotechnique, Automatique ar 1DML$566, Maître ès Sciences &RQFHSWLRQGXQ7K\ULVWRUN9HQFDUEXUHGH VLOLFLXSRXUDVVXUHUODJpQpUDWLRQ GLSXOVLRQVGHIRUWHpQHUJLH Soutenue le 23 Juillet 2002 devant la Commission d Examen Jury MM. -HDQ 3LHUUH &+$17( 3URIHVVHXU 'LUHFWHXU -HDQ /RXLV 6DQFKH] 'LUHFWHXU GH 5HFKHUFKH &156 5DSSRUWHXU 3LHUUH 0HUOH 3URIHVVHXU 5DSSRUWHXU (LO 6SKDQ 0DULH /DXUH /RFDWHOOL 'RLQLTXH 3ODQVRQ 'RFWHXU 'RFWHXU 'RFWHXU Cette thèse a été préparée au Laboratoire CEGELY de l'insa de Lyon. INSA DE LYON DEARTEMENT DES ETUDES DOCTORALES ET RELATIONS INTERNATIONALES SCIENTIFIQUES MARS 2002 ECOLES DOCTORALES ET DILOMES D'ETUDES AROFONDIES HABILITES OUR LA ERIODE ECOLES DOCTORALES N code national CHIMIE DE LYON (Chimie, rocédés, Environnement) EDA206 ECONOMIE ESACE ET MODELISATION DES COMORTEMENTS (E 2 MC) EDA417 ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE (E.E.A) EDA160 EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION (E2M2) EDA403 INFORMATIQUE ET INFORMATION OUR LA SOCIETE EDA407 INTERDISCILINAIRE SCIENCES- SANTE (EDISS) EDA205 MATERIAUX DE LYON UNIVERSITE LYON 1 EDA034 MATHEMATIQUES ET INFORMATION FONDAMENTALE (Math IF) EDA409 MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE (MEGA) EDA162 RESONSABLE RINCIAL M. D. SINOU UCBL Sec Fax M. A. BONNAFOUS LYON Sec Fax M. G. GIMENEZ INSA de LYON Fax M. J.. FLANDROIS UCBL Sec Fax M. J.M. JOLION INSA de LYON Fax M. A.J. COZZONE UCBL Sec Fax M. J. JOSEH ECL Sec Fax M. NICOLAS UCBL Fax M. J. BATAILLE ECL Sec Fax CORRESONDANT INSA M.. MOSZKOWICZ Sec Fax Mme M. ZIMMERMANN Fax M. S. GRENIER Fax M. M. LAGARDE Fax M. J.Y. CAVAILLE Fax M. J. OUSIN Fax M. M. MIRAMOND Fax DEA INSA N code national Chimie Inorganique Sciences et Stratégies Analytiques Sciences et Techniques du Déchet Ville et Sociétés Dimensions Cognitives et Modélisation Automatique Industrielle Dispositifs de l'electronique Intégrée Génie Electrique de Lyon Images et Systèmes Analyse et Modélisation des Systèmes Biologiques Documents Multimédia, Images et Systèmes d'information Communicants Extraction des Connaissances à partir des Données Informatique et Systèmes coopératifs pour l'entreprise Biochimie Génie des Matériaux : Microstructure, Comportement Mécanique, Durabilité Matériaux olymères et Composites Matière Condensée, Surfaces et Interfaces Analyse Numérique, Equations aux dérivées partielles et Calcul Scientifique Acoustique Génie Civil Génie Mécanique Thermique et Energétique En grisé : Les Ecoles doctorales et DEA dont l'insa est établissement principal RESONSABLE DEA INSA M. J.F. QUINSON Tèl Fax M.. MOSZKOWICZ Tèl Fax Mme M. ZIMMERMANN Tèl Fax M. L. FRECON Tèl Fax M. M. BETEMS Tèl Fax M. D. BARBIER Tèl Fax M. J.. CHANTE Tèl Fax Mme I. MAGNIN Tèl Fax M. S. GRENIER Tèl Fax M. A. FLORY Tèl Fax M. J.F. BOULICAUT Tèl Fax M. A. GUINET Tèl Fax M. M. LAGARDE Tèl Fax M. R. FOUGERES Tèl Fax M. H. SAUTEREAU Tèl Fax M. G. GUILLOT Tèl Fax M. G. BAYADA Tèl Fax M. J.L. GUYADER Tèl Fax M. M. MIRAMOND Tèl Fax M. G. DALMAZ Tèl Fax Mme M. LALLEMAND Tèl Fax 60.10 Mars 2002 INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES ALIQUEES DE LYON Directeur : STORCK. A rofesseurs : AUDISIO S. BABOUX J.C. BALLAND B. BARBIER D. BASTIDE J.. BAYADA G. BERGER C. BETEMS M. BLANCHARD J.M. BOISSON C. BOIVIN M. BOTTA H. BOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) BOULAYE G. (rof. émérite) BRAU J. BRISSAU M. BRUNET M. BRUNIE L. BUREAU J.C. CAVAILLE J.Y. CHANTE J.. CHOCAT B. COUSIN M. DOUTHEAU A. DUFOUR R. DUUY J.C. EMTOZ H. ESNOUF C. EYRAUD L. (rof. émérite) FANTOZZI G. FAVREL J. FAYARD J.M. FAYET M. FERRARIS-BESSO G. FLAMAND L. FLEISCHMANN. FLORY A. FOUGERES R. FOUQUET F. FRECON L. GERARD J.F. GIMENEZ G. GONNARD. GONTRAND M. GOUTTE R. (rof. émérite) GRANGE G. GUENIN G. GUICHARDANT M. GUILLOT G. GUINET A. GUYADER J.L. GUYOMAR D. JACQUET RICHARDET G. JOLION J.M. JULLIEN J.F. JUTARD A. KASTNER R. KOULOUMDJIAN J. LAGARDE M. LALANNE M. (rof. émérite) LALLEMAND A. LALLEMAND M. (Mme) LAREAL. LAUGIER A. LAUGIER C. LEJEUNE. HYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE GEMM* HYSIQUE DE LA MATIERE HYSIQUE DE LA MATIERE THERMODYNAMIQUE ALIQUEE MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUE (Melle) HYSIQUE DE LA MATIERE AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE LAESI*** VIBRATIONS-ACOUSTIQUE MECANIQUE DES SOLIDES Equipe DEVELOEMENT URBAIN Equipe DEVELOEMENT URBAIN INFORMATIQUE CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du bâtiment GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE MECANIQUE DES SOLIDES INGENIERIE DES SYSTEMES D INFORMATION THERMODYNAMIQUE ALIQUEE GEMM* CEGELY**** - Composants de puissance et applications UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures CHIMIE ORGANIQUE MECANIQUE DES STRUCTURES HYSIQUE DE LA MATIERE RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISION GEMM* GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE GEMM* RISMa - Roductique et Informatique des Systèmes Manufacturiers BIOLOGIE ALIQUEE MECANIQUE DES SOLIDES MECANIQUE DES STRUCTURES MECANIQUE DES CONTACTS GEMM* INGENIERIE DES SYSTEMES D INFORMATION GEMM* GEMM* INFORMATIQUE MATERIAUX MACROMOLECULAIRES CREATIS** GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE CEGELY**** - Composants de puissance et applications CREATIS** GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE GEMM* BIOCHIMIE ET HARMACOLOGIE HYSIQUE DE LA MATIERE RISMa - Roductique et Informatique des Systèmes Manufacturiers VIBRATIONS-ACOUSTIQUE GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE MECANIQUE DES STRUCTURES RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISION UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Géotechnique INGENIERIE DES SYSTEMES D INFORMATION BIOCHIMIE ET HARMACOLOGIE MECANIQUE DES STRUCTURES CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermique CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermique UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Géotechnique HYSIQUE DE LA MATIERE BIOCHIMIE ET HARMACOLOGIE GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMES Mars 2002 LUBRECHT A. MECANIQUE DES CONTACTS MARTINEZ Y. INGENIERIE INFORMATIQUE INDUSTRIELLE MAZILLE H. HYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE MERLE. GEMM* MERLIN J. GEMM* MILLET J.. HYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE MIRAMOND M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine MOREL R. MECANIQUE DES FLUIDES MOSZKOWICZ. LAESI*** NARDON. (rof. émérite) BIOLOGIE ALIQUEE NAVARRO A. LAESI*** NOURI A. (Mme) MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUE ODET C. CREATIS** OTTERBEIN M. (rof. émérite) LAESI*** ASCAULT J.. MATERIAUX MACROMOLECULAIRES AVIC G. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE ELLETIER J.M. GEMM* ERA J. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Matériaux ERACHON G. THERMODYNAMIQUE ALIQUEE ERRIAT. GEMM* J. ERRIN J. ESCHIL Equipe SCiences Humaines de l Insa de Lyon INARD. (rof. émérite) HYSIQUE DE LA MATIERE INON J.M. INGENIERIE DES SYSTEMES D INFORMATION LAY D. CONCETION ET ANALYSE DES SYSTEMES MECANIQUES OUSIN J. MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUE REVOT. GRACIM Groupe de Recherche en Apprentissage, Coopération et Interfaces Multimodales pour la roductique ROST R. CREATIS** RAYNAUD M. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matériaux REDARCE H. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE REYNOUARD J.M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures RIGAL J.F. CONCETION ET ANALYSE DES SYSTEMES MECANIQUES RIEUTORD E. (rof. émérite) MECANIQUE DES FLUIDES ROBERT-BAUDOUY J. (Mme) (rof. émérite) GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICRO-ORGANISMES ROUBY D. GEMM* ROUX J.J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON RUBEL. INGENIERIE DES SYSTEMES D INFORMATION RUMELHART C. MECANIQUE DES SOLIDES SACADURA J.F. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matériaux SAUTEREAU H. MATERIAUX MACROMOLECULAIRES SCAVARDA S. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE THOMASSET D. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE TROCCAZ M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE UNTERREINER R. CREATIS** VELEX. MECANIQUE DES CONTACTS VIGIER G. GEMM* VINCENT A. GEMM* VUILLERMOZ.L. (rof. émérite) HYSIQUE DE LA MATIERE Directeurs de recherche C.N.R.S. : Y.BERTHIER MECANIQUE DES CONTACTS N.COTTE-ATAT (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE.FRANCIOSI GEMM* M.A. MANDRAND (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE J.F.QUINSON GEMM* A.ROCHE MATERIAUX MACROMOLECULAIRES A. SEGUELA GEMM* Directeurs de recherche I.N.R.A. : G.FEBVAY S.GRENIER Directeurs de recherche I.N.S.E.R.M. : A-F.RIGENT (Mme) I.MAGNIN (Mme) BIOLOGIE ALIQUEE BIOLOGIE ALIQUEE BIOLOGIE ET HARMACOLOGIE CREATIS** * GEMM GROUE D'ETUDE METALLURGIE HYSIQUE ET HYSIQUE DES MATERIAUX ** CREATIS CENTRE DE RECHERCHE ET D ALICATIONS ENTRAITEMENT DE L IMAGE ET DU SIGNAL *** LAESI LABORATOIRE D ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DESROCEDES ET SYSTEMES INDUSTRIELS **** CEGELY CENTRE DE GENIE ELECTRIQUE DE LYON A mes parents A mes sœurs A ma famille Remerciements Ce travail a été effectué sous la direction de Monsieur Jean-ierre CHANTE, Directeur au CEntre de Génie Electrique de LYon (CEGELY), sur le site de l INSA de Lyon. Je tiens à exprimer tout particulièrement ma gratitude à Monsieur Jean ierre Chante, professeur à l'insa de Lyon, pour son accueil au sein de son laboratoire de recherche, ses conseils avisés, l'ambiance amicale et la relecture minutieuse de ce mémoire. J'adresse un remerciement tout particulier à Madame Marie-Laure LOCATELLI, pour avoir suivi de prêt mon travail pendant sa présence au CEGELY et qui m'a apporté de nombreuses critiques constructives qui m'ont permis d'avancé dans mon travail, ainsi que Monsieur Dominique LANSON pour son aide. Je tiens à remercier l'institut de recherche franco-allemand de St Louis pour son soutien financier et technique à travers Monsieur Michel Samirant. Je remercie également Monsieur Emil Spahn et Monsieur Sigo Scharnholz pour leur collaboration fructueuse, l'intérêt et l'enthousiasme qu'ils ont porté à ce travail. Un grand merci à Volker Zorngiebel pour sa participation à la réalisation des échantillons tests à l'université technologique de Aachen (RWTH). Je remercie Monsieur ierre Merle et Monsieur Jean Louis Sanchez qui me font l'honneur d'être les rapporteurs de mon travail de thèse. J'exprime ma profonde reconnaissance à Monsieur Hervé Morel pour les nombreuses discussions partagées et ses conseils toujours stimulants. Je remercie tous les membres de l'équipe SiC pour leur formidable accueil. Mille mercis à Franck Nallet pour l'aide amicale qu'il m'a apporté. Je tiens à remercier de tout cœur Nicole Vially pour les démarches administratives, quotidiennes et sa gentillesse. Mes plus vifs remerciements vont également à tous les enseignants chercheurs du laboratoire ainsi qu'à Denise Renault et ascal Bevilacqua que j'ai côtoyé durant ces dernières années ; travailler avec eux fut un réel plaisir. Un grand merci à tout les doctorants avec qui on se complaisait à faire un petit drame lyrique de nos statuts de thésard dans les moments difficiles et avec qui j'ai eu des échanges privilégiés, que ce soit sur le plan scientifique, culturel ou tout simplement humain. Merci particulièrement à mes deux collègues de bureau Olivier Brevet et Christophe Raynaud pour leur bonne humeur et leur contribution à l'ambiance chaleureuse. Enfin j'adresserai mon dernier remerciement, mais non le moindre, à ma famille (Naïma, Dounia, Laïla, Fatima, mes parents ) pour son indispensable soutien et pour tout le reste. sommaire Sommaire Introduction...5 Chapitre I...7 Le carbure de silicium pour les interrupteurs de puissance commandés LE CARBURE DE SILICIUM RORIÉTÉ DU CARBURE DE SILICIUM Les structures cristallographiques ropriétés électriques Facteur de mérite pour les composants de puissance Les grands chantiers du carbure de silicium LES INTERRUTEURS DE UISSANCE COMMANDÉS L'électronique de puissance Les convertisseurs statiques Exemples d'applications des convertisseurs statiques Les composants de puissance commandés Le MOSFET de puissance L'IGBT et le MCT Le transistor JFETs Le thyristor GTO Le thyristor Approche fonctionnelle Approche physique olarisation directe olarisation inverse Caractéristique courant tension Tenue en tension Région inverse Région directe...28 I hénomène de retournement Les différents courants de déclenchement Tenue en tension maximale I Retournement par multiplication par avalanche...32 I Retournement par phénomène de percement EVOLUTION DES THYRISTORS EN SIC MODÈLES HYSIQUES OUR LE SIC DANS LE SIMULATEUR NUMÉRIQUE ISE résentation du logiciel de simulation ISE Les outils dans ISE sommaire Mdraw-ISE Dessis-ISE Inspect-ISE et icasso-ise Modèle et paramètres spécifiés pour la simulation Bande d'énergie interdite Intégrale d'inonisation Durée de vie des porteurs Mobilité des porteurs Ionisation incomplète CONCLUSION CHAITRE II Estimation des performances électriques d'un thyristor SiC-4H faible tension par la simulation 47 1 INTRODUCTION RÉSENTATION DE LA STRUCTURE SIMULATION DE LA STRUCTURE Simulation électrique...54 Simulation du thyristor en direct et en inverse polarisation directe Résultats électriques Analyse physique des résultats Détermination de la base sensible au percement Influence de la température Influence de la durée de vie des porteurs Tension de claquage en polarisation inverse rotection périphérique ROCÉDÉ TECHNOLOGIQUE ET MESURES EXÉRIMENTALES Description du procédé technologique Séquence du procédé technologique Description de l'échantillon test et mesures expérimentales Résultats expérimentaux Caractéristique directe Caractéristique inverse...83 Claquage du dispositif CONCLUSION Chapitre III...88 Conception et simulation d'un thyristor 5 kv en SiC-4H INTRODUCTION CHOIX DE LA CONFIGURATION DU THYRISTOR sommaire 2.1 Les thyristors symétrique et asymétrique Mesure électrique de l'unité de déclenchement pour l'application 10 kv Méthodologie Détermination de l'épaisseur et du niveau de dopage pour 5 kv Tension de claquage de 5 kv de la structure IN Résultats électriques aramètres technologiques de la base N et de la couche tampon Optimisation de la base N Optimisation de la couche tampon aramètres technologiques de la structure finale Tension de claquage inverse Tension de claquage en volume Tension de claquage suivant le profil de gravure de l'anode Influence de la gravure sur les charges fixes ROTECTIONS ÉRIHÉRIQUES OUR LA TENUE EN TENSION EN DIRECT Les différentes techniques de protection rotection par JTE et EGR s rotection par JTE Optimisation de la JTE Résultats électriques Champ électrique et équipotentielle pendant le claquage Influence de la position de la JTE et de la gravure sur la tenue en tension Application de la structure N - optimisée sur le thyristor rotection par EGR s Optimisation des anneaux de garde gravés Résultats électriques Résultats expérimentaux et de simulation d'un thyristor GTO protégé par EGR s ERFORMANCE DYNAMIQUE Résultats électriques Impulsion de courant pour la commande de la gâchette Enclenchement du thyristor pour plusieurs rampes de courant de gâchette Courant dans le thyristor et dans la diode Courant dans le thyristor Ouverture du thyristor et fermeture de la diode Courant dans la diode Chute de tension dans le thyristor Effet de la résistance et de l inductance parasites du circuit primaire ente de la décroissance du courant dans le thyristor Charges stockées dans le thyristor Effet de la durée de vie des porteurs Simulations électrothermiques Commutation du thyristor dans des conditions isothermes sommaire erformances électriques pour des surfaces du thyristor réduites Commutation du thyristor dans des conditions non isotherme Spécification des conditions aux limites des résistances thermiques remiers résultats expérimentaux CONCLUSION Conclusion générale Références bibliographiques annexes 186 4 LQWURGXFWLRQ,QWURGXFWLRQ Les lanceurs électromagnétiques, aujourd'hui, sont l'objet d'un véritable engouement dans les recherches et les études scientifiques et techniques fondamentales d'armement. armi les nombreux thèmes de recherche à l'institut de recherche franco-allemand de St Louis, les canons électriques à rail sont étudiés pour la mise au point rapide de systèmes antimissile, voire à long terme de lanceurs de satellites. La filière railgun , consiste à accélérer des projectiles à des vitesses de plusieurs milliers de m/s en utilisant la force électromotrice de Laplace créée par le passage d'un courant dans les rails supportant le projectile. Lancer un projectile, c'est lui délivrer en un temps très court (quelques ms) une énergie élevée (MJ). our cela, il faut stocker l'énergie, la libérer à la demande et la transmettre au projectile. Les chercheurs allemands et français ont conçu des sources d'énergie modulaires utilisant des semi-conducteurs de puissance de type thyristor et diode en silicium. Afin de commuter des courants de 50 à 70 ka sous des tensions de 10 à 11 kv, les composant de puissance sont associés en série et en parallèle. Cela fait intervenir un grand nombre de composants qui constituent un encombrement pénalisant. De plus l'association en série et en parallèle implique que les composants possèdent des caractéristiques électriques très voisine. La solution idéale serait de n'avoir qu'un seul composant réalisant la commutation et capable de répondre à tous les stresses en courant et en tension imposés par l'application. Les travaux de recherches que nous avons envisagés ont pour objectifs d'ouvrir la voie vers des modules de commutation mettant en jeu un nombre de thyristors moins élevés. Les propriétés physiques et électriques du LQWURGXFWLRQ carbure de silicium (SiC) offrent la possibilité de réduire la dimension et la puissance dissipé des composants. Fort de ces connaissances, nous avons entrepris l'étude portant sur la conception d'un thyristor en SiC-4H devant répondre à un cahier des charges où la tension de blocage minimum est de 5 kv permettant de commuter un courant de l'ordre de 25 ka et présentant une chute de tension à l'état passant inférieure à 10 V. Dans le premier chapitre nous introduisons le carbure de silicium en présentant ses principales propriétés physiques et électriques. Nous récapitulerons les avancées réalisées dans cette filière et les difficultés rencontrées. Nous rappellerons les différents interrupteurs commandés dans la filière silicium actuellement utilisés dans l'électronique de puissance. Cela permettra de justifier le choix que nous avons fait d'opter pour le thyristor. Enfin nous décrirons le logiciel de simulation ISE qui a été utilisé dans ce travail. Le deuxième chapitre présente la première étape de ce travail qui est de valider l'approche par simulation de l'étude sur le thyristor 5kV en étudiant une structure plus modeste (quelques centaines de volts). Cela permettra de vérifier, la fonctionnalité recherchée sur un matériau SiC, l'effet thyristor . Nous présenterons les résultats électriques obtenus par la simulation numérique et nous les comparerons avec les mesures expérimentales réalisées sur des échantillons tests. Dans le troisième chapitre, toutes les étapes de la conception du thyristor 5 kv par la simulation seront présentées. Nous nous attacherons à expliquer la méthodologie adoptée pour définir les différentes couches de la structure. Nous aborderons l'étude de la tenue en tension et de la protection périphérique. Finalement nous considérerons le thyristor dans l'application du canon à rail utilisant une énergie de 50 kj pour estimer ses performances électriques et électrothermiques. &KDSLWUH,/HFDUEXUHGHVLOLFLX SRXU OHV LQWHUUXSWHXUV GH SXLVVDQFH FRDQGpV Chapitre I Le carbure de silicium pour les interrupteurs de puissance commandés 1 Le carbure de silicium Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur appartenant à la famille des grands GA (larges bandes interdites). L'appartenance à cette famille lui confère des potentialités très convoitées dans l'électronique de haute puissance, haute température et haute fréquence. Bien que son apparition date de 1824 son entrée dans le domaine de l'électronique ne s'est faite qu'en 1907 avec la réalisation de la première diode électroluminescente.
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