電流-電圧特性

電流-電圧特性、または I-V曲線（電流-電圧曲線）とは、回路、デバイス、または材料を流れる電流と、それに対応する電圧、または電位差との間の関係を表したもので、通常は図表やグラフで示されます。

電子工学において、電子機器を流れる直流電流 （DC）と端子間の直流電圧の関係を、その機器の電流-電圧特性と呼びます。電子技術者は、これらの特性図を用いて機器の基本パラメータを決定し、電気回路における機器の動作をモデル化します。これらの特性は、電流と電圧の標準記号にちなんで、I-V曲線とも呼ばれます。

真空管やトランジスタなど、2つ以上の端子を持つ電子部品では、一方の端子ペアにおける電流-電圧関係は、もう一方の端子における電流または電圧に依存する場合があります。これは通常、複数の曲線を持つより複雑な電流-電圧グラフで表示され、それぞれの曲線は、第3の端子における電流または電圧の異なる値における電流-電圧関係を表しています。^{[ 1 ]}

_{例えば、右の図は、} MOSFETのI-V曲線群をドレイン電圧の関数として示しており、過電圧（VGS - _Vth）をパラメータとしています。

最も単純なI-V曲線は抵抗器のもので、オームの法則によれば、印加電圧と結果として生じる電流の間には線形関係があります。電流は電圧に比例するため、I-V曲線は原点を通る正の傾きを持つ直線になります。傾きの逆数は抵抗値に等しくなります。

電気部品のI-V特性曲線は、カーブトレーサーと呼ばれる装置で測定できます。トランジスタの相互コンダクタンスやアーリー電圧は、従来、デバイスのI-V特性曲線から測定されるパラメータの例です。

I-V曲線の種類

電気部品の特性曲線の形状は、その動作特性について多くのことを明らかにします。さまざまなデバイスのI-V曲線は、以下のカテゴリに分類できます。

• 能動部品と受動部品：原点を通るI-V平面の第1象限と第3象限に限定されたI-V曲線を持つデバイスは、回路から電力を消費する受動部品（負荷）です。例としては、抵抗器、電球、電気モーターなどがあります。これらのデバイスでは、電流は常に電界の方向、つまり正の電圧端子から負の電圧端子へと流れるため、電荷はデバイス内で位置エネルギーを失い、それが熱やその他の形態のエネルギーに変換されます。

一方、I-V曲線が第2象限または第4象限を通過するデバイスは、能動部品、すなわち電源であり、電力を生成できます。例としては、電池や発電機が挙げられます。デバイスが第2象限または第4象限で動作しているとき、電流は電界の抵抗力に逆らって負極から正極へと流れるため、電荷は位置エネルギーを獲得します。つまり、デバイスは他の形態のエネルギーを電気エネルギーに変換しているのです。

• 線形と非線形: 原点を通る直線は線形回路素子を表し、曲線は非線形素子を表します。たとえば、抵抗器、コンデンサ、インダクタは線形ですが、ダイオードとトランジスタは非線形です。原点を通る正の傾きを持つ直線である I-V 曲線は、回路で最も一般的なタイプの抵抗である線形またはオーム抵抗を表します。これはオームの法則に従います。電流は広い範囲で印加電圧に比例します。その抵抗は、直線の傾きの逆数に等しく、一定です。曲線の I-V 線は、ダイオードなどの非線形抵抗を表します。このタイプの抵抗は、印加電圧または電流によって変化します。
• 負性抵抗と正性抵抗：I-V曲線が全体を通して正の傾き（右に向かって増加）を持つ場合、それは正の抵抗を表します。単調でない（ピークと谷がある）I-V曲線は、負性抵抗を持つデバイスを表します。曲線の負の傾き（右に向かって減少）を持つ領域は、デバイスが負の微分抵抗を持つ動作領域を表し、正の傾きを持つ領域は正の微分抵抗を表します。負性抵抗デバイスは、増幅器や発振器を作るために使用できます。トンネルダイオードとガンダイオードは、負性抵抗を持つコンポーネントの例です。
• ヒステリシスと単一値：ヒステリシスを持つデバイス、つまり電流-電圧関係が現在の入力だけでなく過去の入力履歴にも依存するデバイスは、閉ループの集合からなるI-V曲線を持ちます。ループの各分岐は、矢印で表される方向で示されます。ヒステリシスを持つデバイスの例としては、鉄心インダクタや変圧器、SCRやDIACなどのサイリスタ、ネオン管などのガス放電管などがあります。

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  トンネルダイオードの特性曲線に類似したI-V曲線。v1と_v2の間の網掛け電圧領域では負の抵抗を示す_。
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  DIACのI-V曲線。VBO_はブレークオーバー電圧です。
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  メモリス​​タのI-V曲線は、ピンチ状のヒステリシスを示している。
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  ガンダイオードのI-V特性曲線。負性微分抵抗とヒステリシスを示している（矢印に注目）。

I-V曲線はあらゆる電気システムに適用可能ですが、特に生体電気の分野、中でも電気生理学の分野で広く用いられています。この場合、電圧とは生体膜にかかる電圧、すなわち膜電位を指し、電流とはこの膜内のチャネルを通る荷電イオンの流れを指します。電流はこれらのチャネルのコンダクタンスによって決まります。

生体膜を横切るイオン電流の場合、電流は内側から外側に向かって測定されます。つまり、正の電流は「外向き電流」と呼ばれ、正に帯電したイオンが細胞膜を内側から外側へ通過する場合、または負に帯電したイオンが外側から内側へ通過する場合に対応します。同様に、負の値を持つ電流は「内向き電流」と呼ばれ、正に帯電したイオンが細胞膜を外側から内側へ通過する場合、または負に帯電したイオンが内側から外側へ通過する場合に対応します。

右の図は、興奮性生体膜（神経軸索など）の電流により関連性の高いI-V曲線を示しています。青線はカリウムイオンのI-V関係を示しています。これは直線であり、カリウムイオンチャネルの電圧依存性ゲートがないことを示しています。黄線はナトリウムイオンのI-V関係を示しています。これは直線ではなく、ナトリウムイオンチャネルが電圧依存性であることを示しています。緑線は、ナトリウム電流とカリウム電流を合計して得られたI-V関係を示しています。これは、両方のタイプのチャネルを含む細胞の実際の膜電位と電流の関係を近似しています。

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