При вивченні механізму випрямлення змінного струму на ділянці зіткнення двох різних середовищ - напівпровідника і металу, була висунута гіпотеза, що в його основі лежить так званий тунельний ефект носіїв заряду. Однак на той момент (1932 рік) рівень розвитку напівпровідникових технологій не дозволив підтвердити гіпотезу дослідним шляхом. Лише в 1958 році японський вчений Есаки зумів блискуче її підтвердити, створивши перший в історії тунельний діод. Завдяки його дивним якостям (зокрема, швидкодії), даний прилад привернув увагу фахівців різних технічних областей. Тут варто пояснити, що діод - це електронний прилад, який представляє собою об'єднання в єдиному корпусі двох різних матеріалів, що володіють різними типами провідності. Тому електричний струм може проходити по ньому тільки в одному напрямку. Зміна полярності призводить до «закриття» діода і зростання його опору. Збільшення напруги призводить до «пробою».
Розглянемо, як працює тунельний діод. Класичний випрямний напівпровідниковий прилад використовує кристали з кількістю домішок не більше 10 в ступені 17 (-3 ступінь сантиметра). А так як цей параметр безпосередньо пов'язаний з числом вільних носіїв заряду, то виходить, що останніх ніколи не може бути більше зазначеної кордону.
Існує формула, що дозволяє визначити товщину проміжної зони (переходу p-n):
де Na і Nd - кількість іонізованих акцепторів та донорів відповідно; Pi - 3.1416; q - значення заряду електрона; U - підведене напруга; Uk - різниця потенціалів на ділянці переходу; E - значення діелектричної проникності.
Наслідком з формули є той факт, що для p-n переходу класичного діода характерні низька напруженість поля і відносно велика товщина. Щоб електрони могли потрапити у вільну зону, їм потрібна додаткова енергія (повідомляється ззовні).
Хоча ток при тунельному ефекті здатний протікати в обох напрямках, при прямому підключенні діода напруженість в зоні переходу зростає, зменшуючи кількість електронів, здатних на тунельний проходження. Збільшення напруги призводить до повного зникнення тунельного струму і вплив виявляється лише на звичайний дифузний (як в класичних діодах).
Також існує ще один представник подібних приладів - звернений діод. Він являє собою той же тунельний діод, але зі зміненими властивостями. Відмінність в тому, що значення провідності при зворотному підключенні, в якому звичайний випрямляє прилад «закривається», у нього вище, ніж при прямому. Решта властивості відповідають тунельному діоду: швидкодія, малі власні шуми, здатність випрямляти змінні складові.