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)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(電位差) との関係であり、通常はチャートまたはグラフとして表されます。

電子工学では、電子デバイスを流れる直流電流 (DC)とその端子間のDC電圧の関係を、デバイスの電流電圧特性と呼びます。電子技術者は、これらのグラフを使用して、デバイスの基本パラメータを決定し、電気回路内で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、1組の端子における電流と電圧の関係が、3番目の端子の電流または電圧に依存することがあります。これは通常、複数の曲線を含むより複雑な電流-電圧グラフで表示され、各曲線は3番目の端子の異なる電流値または電圧値における電流-電圧関係を表します。^[1]

たとえば、右の図は、過電圧 ( V _GS − V _th ) をパラメータとして、 ドレイン電圧の関数としてMOSFETの I-V 曲線の系列を示しています。

最も単純な I-V 曲線は抵抗器の曲線で、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直線関係が成り立ちます。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 曲線は、カーブ トレーサーと呼ばれる機器で測定できます。トランジスタのトランスコンダクタンスとアーリー電圧は、デバイスの I-V 曲線から従来測定されるパラメータの例です。

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表します。さまざまなデバイスの I-V 曲線は、次のカテゴリに分類できます。

• アクティブ対パッシブ: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パッシブ コンポーネント(負荷)です。例としては、抵抗器や電気モーターがあります。従来の電流は、常にこれらのデバイスを電界の方向、つまり正の電圧端子から負の電圧端子に向かって流れるため、電荷はデバイス内で位置エネルギーを失い、それが熱または他の何らかの形のエネルギーに変換されます。

対照的に、第 2 象限または第 4 象限を通過する I-V 曲線を持つデバイスは、電力を生成できる能動部品、つまり電源です。例としては、バッテリーや発電機があります。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、電流は電界の反対方向に、負の電圧端子から正の電圧端子へとデバイスを流れるように強制されるため、電荷は位置エネルギーを獲得します。したがって、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ます。

• 線形対非線形: 原点を通る直線は線形回路要素を表し、曲線は非線形要素を表します。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の直線である I-V 曲線は、線形抵抗器またはオーム抵抗器を表します。これは、回路で最も一般的なタイプの抵抗です。これはオームの法則に従います。つまり、電流は広範囲にわたって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。このタイプでは、抵抗は印加電圧または電流に応じて変化します。
• 負性抵抗と正性抵抗: I-V 曲線が全体的に正の傾き (右に増加する) を持つ場合、それは正の抵抗を表します。非単調な(山と谷がある) I-V 曲線は、負の抵抗を持つデバイスを表します。曲線の負の傾き (右に減少) 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、正の傾きの領域は正の微分抵抗を表します。負性抵抗デバイスは、増幅器や発振器の作成に使用できます。トンネル ダイオードやガン 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、つまり電流と電圧の関係が現在印加されている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、閉ループのファミリーで構成される I-V 曲線を持ちます。ループの各ブランチには、矢印で表される方向が付けられています。ヒステリシスを持つデバイスの例としては、鉄心インダクタやトランス、SCRやDIACなどのサイリスタ、ネオンライト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似たI-V曲線。影付きの電圧領域（v ₁とv _{2の間）では負性抵抗がある。}
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  DIAC I- V曲線。V _{BO は}ブレークオーバー電圧です。
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  ピンチヒステリシスを示すメモリスタのI-V曲線
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  ガンダイオードのI-V曲線。ヒステリシスを伴う負性微分抵抗を示す（矢印に注意）

I-V 曲線はあらゆる電気システムに適用できますが、生体電気の分野、特に電気生理学のサブ分野で広く使用されています。この場合、電圧は生体膜の両端の電圧、つまり膜電位を指し、電流はこの膜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内側から外側へ細胞膜を通過するか、負に帯電したイオンが外側から内側へ通過することを意味します。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外側から内側へ細胞膜を通過するか、負に帯電したイオンが内側から外側へ通過することを意味します。

右の図は、興奮性生体膜（神経軸索など）の電流により関連のある I-V 曲線を示しています。青い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ティングがないことを示しています。黄色の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。緑の線は、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に近似しています。

ウィキメディア・コモンズには、デバイスの電流電圧特性に関連するメディアがあります。

• 最大電力点追跡
• ボルタンメトリー