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。

エレクトロニクス分野

{\displaystyle V_{GS}-V_{th}} — *オーバードライブ電圧*のいくつかの値に対する MOSFET ドレイン電流とドレイン-ソース間電圧の関係。線形(**オーム**) モードと飽和(**アクティブ**) モードの境界は、上向きに曲がった放物線で示されます。 $V_{GS}-V_{th}$

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DC電圧の関係は、機器の電流-電圧特性と呼ばれます。電子技術者は、これらのグラフを用いて機器の基本パラメータを決定し、電気回路における動作をモデル化します。これらの特性は、電流と電圧を表す標準的な記号にちなんで、I-V曲線とも呼ばれます。

真空管やトランジスタなど、2端子以上の電子部品では、1対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、複数の曲線からなるより複雑な電流-電圧グラフで示され、各曲線は3番目の端子の異なる電流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す。オームの法則によれば、印加電圧と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曲線は原点を通り、正の傾きを持つ直線となります。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計測器で測定できます。トランジスタの相互コンダクタンスやアーリー電圧などは、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。

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表します。様々なデバイスのI-V曲線は、以下のカテゴリに分類できます。

能動 vs 受動：I-V曲線が原点を通るI-V平面の第1象限と第3象限に限定されるデバイスは、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挙げられます。これらのデバイスでは、従来の電流は常に電界の方向、つまり正電圧端子から負電圧端子へと流れるため、デバイス内で電荷は位置エネルギーを失い、それが熱やその他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、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、電流は電界の反対方向に逆らって、負の電圧端子から正の電圧端子へとデバイスを流れ、電荷は位置エネルギーを獲得します。このように、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vs 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。原点を通り、傾きが正の直線である 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。このタイプでは、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曲線が全体的に正の傾き（右上がり）を示す場合、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、負性抵抗を持つデバイスを表します。曲線の負の傾き（右下がり）の領域は、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、増幅器や発振器を作るのに使用できます。トンネルダイオードやガンダイオードは、負性抵抗を持つ部品の例です。
ヒステリシス vs 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、閉ループの集合からなるI-V曲線を持ちます。ループの各分岐には、矢印で示される方向が示されています。ヒステリシスを持つデバイスの例としては、鉄心インダクタや変圧器、サイリスタ（SCRやDIACなど）、ガス放電管（ネオンライトなど）などが挙げられます。

トンネルダイオードの特性曲線に似たI-V曲線。斜線で示した電圧領域（ v ₁とv ₂の間）では負性抵抗を持つ。
DIACのI-V曲線。V _BOはブレークオーバー電圧です。
ピンチヒステリシスを示すメモリスタのI-V曲線
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）

電気生理学では

I-V曲線はあらゆる電気システムに適用可能ですが、特に電気生理学の分野では生体電気の分野で広く用いられています。この場合、電圧は生体膜にかかる電圧（膜電位）を指し、電流は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の内側から外側へ、あるいは負に帯電したイオンが外側から内側へ通過する電流を指します。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の外側から内側へ、あるいは負に帯電したイオンが内側から外側へ通過する電流を指します。

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。青い線はカリウムイオンのI-V関係を示しています。直線であり、カリウムイオンチャネルのゲート制御が電圧依存的ではないことを示しています。黄色い線はナトリウムイオンのI-V関係を示しています。直線ではなく、ナトリウムイオンチャネルが電圧依存的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加算して得られた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。

参照

参考文献

^ HJ van der Bijl (1919). 「テミオニック増幅器の理論と動作特性」 . Proceedings of the IRE . 7 (2). Institute of Radio Engineers: 97–126 . doi : 10.1109/JRPROC.1919.217425 .

[1] HJ van der Bijl (1919). 「テミオニック増幅器の理論と動作特性」 . Proceedings of the IRE . 7 (2). Institute of Radio Engineers: 97–126 . doi : 10.1109/JRPROC.1919.217425 .

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