منحنی‌های مشخصه‌های جریان-ولتاژ (I-V) ویژگی‌های عملکرد یک دستگاه الکترونیکی را تعریف می‌کنند.
منحنی‌های مشخصه I-V که مخفف عبارت منحنی‌های مشخصه‌های ولتاژ-جریان یا منحنی‌های I-V یک دستگاه یا قطعه الکتریکی است، مجموعه‌ای از منحنی‌های گرافیکی هستند که برای تعریف عملکرد یک قطعه در یک مدار الکتریکی استفاده می‌شوند. همانطور که از نام آن پیداست، منحنی‌های مشخصه I-V رابطه بین جریان عبوری از یک دستگاه الکترونیکی و ولتاژ اعمال شده در پایانه‌های آن را نشان می‌دهند.
منحنی‌های مشخصه I-V به طور کلی به عنوان ابزاری برای تعیین و درک پارامترهای اساسی یک قطعه یا دستگاه استفاده می‌شوند و همچنین می‌توانند برای مدلسازی ریاضی رفتار آن در یک مدار الکترونیکی استفاده شوند. اما در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی، تعداد بینهایت منحنی مشخصه I-V وجود دارد که ورودی‌ها یا پارامترهای مختلف را نشان می‌دهند و به این ترتیب، می‌توانیم خانواده یا گروهی از منحنی‌ها را در همان نمودار نمایش دهیم تا مقادیر مختلف را نشان دهند.
به عنوان مثال، “مشخصه‌های ولتاژ-جریان” یک ترانزیستور دوقطبی را می‌توان با مقادیر مختلف تحریک بیس یا منحنی‌های مشخصه I-V یک دیود که در هر دو ناحیه مستقیم و معکوس آن کار می‌کند، نشان داد.
اما مشخصه‌های جریان-ولتاژ استاتیک یک قطعه یا دستگاه لازم نیست که یک خط مستقیم باشد. به عنوان مثال، مشخصه‌های یک مقاومت با مقدار ثابت را در نظر بگیرید، انتظار داریم که آنها به طور منطقی مستقیم و ثابت در محدوده خاصی از جریان، ولتاژ و توان باشند، زیرا مقاومت یک دستگاه خطی یا اهمی است.
با این حال، عناصر مقاومتی دیگری مانند LDR ها، ترمیستورها (thermistors)، وریستورها (varistors) و حتی لامپ‌ها وجود دارند که منحنی‌های مشخصه I-V آنها خطوط مستقیم یا خطی نیستند، بلکه منحنی یا شکل هستند و به همین دلیل به آنها المان های غیرخطی می‌گویند زیرا مقاومت آنها غیرخطی است.
اگر ولتاژ تغذیه الکتریکی، V اعمال شده به پایانه‌های عنصر مقاومتی R در بالا تغییر کرده و جریان حاصل، I اندازه‌گیری شود، این جریان به صورت: I = V/R خواهد بود که یکی از معادلات قانون اهم است.
منحنی مشخصه I-V مقاومت ایده‌آل
منحنی مشخصه i-v بالا، عنصر مقاومتی را تعریف می‌کند، به این معنا که اگر مقدار ولتاژی را به عنصر مقاومتی اعمال کنیم، جریان حاصل مستقیماً از مشخصه I-V قابل دریافت است. در نتیجه، توان تلف شده (یا تولید شده) توسط عنصر مقاومتی را نیز می‌توان از منحنی I-V تعیین کرد.
اگر ماهیت ولتاژ و جریان مثبت باشد، منحنی‌های مشخصه I-V در ربع Ι مثبت خواهند بود، اگر ماهیت ولتاژ و در نتیجه جریان منفی باشد، منحنی در ربع ΙΙΙ نمایش داده می‌شود.
در یک مقاومت خالص، رابطه بین ولتاژ و جریان در دمای ثابت، خطی و ثابت است، به طوری که جریان (i) متناسب با اختلاف پتانسیل V با ثابت تناسب 1/R است که i = (1/R) × V را میدهد. بنابراین جریان عبوری از مقاومت، تابعی از ولتاژ اعمال شده است و می‌توانیم این را به صورت بصری با استفاده از منحنی مشخصه‌های I-V نشان دهیم.
در این مثال ساده، جریان i در برابر اختلاف پتانسیل V، یک خط مستقیم با شیب ثابت 1/R است زیرا این رابطه خطی و اهمی است. با این حال، مقاومت‌های عملی ممکن است تحت شرایط خاصی رفتار غیرخطی نشان دهند، به عنوان مثال، زمانی که در معرض دماهای بالا قرار می‌گیرند.
بسیاری از قطعات و دستگاه‌های الکترونیکی وجود دارند که مشخصه‌های غیرخطی دارند، یعنی نسبت V/I آنها ثابت نیست. دیودهای نیمه‌هادی با مشخصه‌های جریان-ولتاژ غیرخطی مشخص می‌شوند. زیرا جریانی که از یک دیود سیلیکونی معمولی بایاس مستقیم عبور می‌کند، توسط مقاومت اهمی اتصال PN محدود می‌شود.
منحنی مشخصه I-V نیمه هادی‌ها
المان‌های نیمه هادی مانند دیودها، ترانزیستورها و تریستورها همگی با استفاده از اتصالات PN نیمه‌هادی متصل به هم ساخته می‌شوند و به این ترتیب منحنی‌های مشخصه I-V آنها عملکرد این اتصالات PN را منعکس می‌کند. بنابراین، این قطعات برخلاف مقاومت‌هایی که رابطه خطی بین جریان و ولتاژ دارند، ویژگی‌های I-V غیرخطی خواهند داشت.
به عنوان مثال، وظیفه اصلی دیود نیمه‌هادی، یکسوسازی AC به DC است. هنگامی که یک دیود بایاس مستقیم باشد (پتانسیل بالاتر به آند آن متصل است)، جریان عبور می‌کند. هنگامی که دیود بایاس معکوس است (پتانسیل بالاتر به کاتد آن متصل است)، جریان مسدود می‌شود. بنابراین، یک اتصال PN به یک ولتاژ بایاس با قطبیت و دامنه معینی برای عبور جریان نیاز دارد. این ولتاژ بایاس همچنین مقاومت محل اتصال و در نتیجه عبور جریان از آن را کنترل می کند. مدار دیود زیر را در نظر بگیرید.
منحنی مشخصه جریان ولتاژ دیود
هنگامی که دیود بایاس مستقیم است، آند نسبت به کاتد مثبت بوده و یک جریان مستقیم یا مثبت از دیود می‌گذرد و در ربع سمت راست بالای منحنی مشخصه‌های I-V آن مانند شکل عمل می‌کند. با شروع از تقاطع صفر، منحنی به تدریج در ربع مستقیم افزایش می‌یابد، اما جریان و ولتاژ مستقیم بسیار کم هستند.
هنگامی که ولتاژ مستقیم از ولتاژ سد (barrier voltage) داخلی پیوندهای دیود P-N که برای سیلیکون حدود 0.7 ولت است بیشتر می‌شود، شکست بهمنی رخ میدهد و جریان مستقیم به سرعت افزایش می‌یابد تا افزایش بسیار کمی در ولتاژ ایجاد کرده و منحنی غیرخطی ایجاد کند. نقطه “زانو” (knee) روی منحنی مستقیم را مشاهده کنید.
به همین ترتیب، هنگامی که دیود بایاس معکوس بوده، کاتد نسبت به آند مثبت است، دیود جریان را به جز یک جریان نشتی بسیار کوچک مسدود کرده و در ربع پایین سمت چپ منحنی مشخصه I-V خود عمل می‌کند. دیود همچنان به مسدود کردن عبور جریان از طریق آن ادامه میدهد تا زمانی که ولتاژ معکوس در دیود از نقطه ولتاژ شکست آن بیشتر شود که منجر به افزایش ناگهانی جریان معکوس می‌شود که یک منحنی رو به پایین با خط نسبتاً مستقیم را به عنوان کنترل تلفات ولتاژ ایجاد می‌کند. این نقطه ولتاژ شکست معکوس برای تأثیر مثبت در دیودهای زنر استفاده می‌شود.
بنابراین می‌توانیم ببینیم که منحنی‌های مشخصه I-V برای یک دیود سیلیکونی غیرخطی هستند و با منحنی‌های خطی I-V مقاومت‌های قبلی بسیار متفاوت هستند زیرا مشخصه‌های الکتریکی آنها متفاوت است. منحنی‌های مشخصه‌های جریان-ولتاژ را می‌توان برای رسم عملکرد هر قطعه الکتریکی یا الکترونیکی از مقاومت‌ها، تقویت‌کننده‌ها، نیمه‌رساناها و سلول‌های خورشیدی استفاده کرد.
مشخصه‌های جریان-ولتاژ یک قطعه الکترونیکی مطالب زیادی در مورد عملکرد آن به ما می‌گوید و میتواند ابزار بسیار مفیدی در تعیین ویژگی‌های عملکرد یک دستگاه یا قطعه خاص با نشان دادن ترکیبات احتمالی جریان و ولتاژ آن باشد و به عنوان یک راهنمای گرافیکی میتواند به صورت بصری به درک بهتر عملکرد مدار کمک کند.
