Туннельный эффект в полупроводниковом диоде работает благодаря квантовомеханическому туннелированию электронов. 35

Туннельный диод представляет собой p-n-переход с сильнолегированными областями. 35 Чтобы добиться очень малой ширины p-n перехода для возникновения туннельного эффекта, используются полупроводники с большой концентрацией примесей. 4 На границе полупроводников образуется обедненный слой очень малой ширины. 4 В результате на переходе создаётся высокая напряжённость электрического поля, и туннельный эффект возникает уже при напряжении меньше одного вольта. 4

Процесс работы туннельного диода можно описать так: 2

1. Несмещённое состояние. 2 При отсутствии подачи напряжения полоса n-типа перекрывается полупроводниковым материалом p-типа из-за сильного легирования. 2 Из-за перекрытия электрон зоны проводимости n-типа и дырка валентной зоны p-типа находятся почти на одном уровне. 2
2. Состояние прямого смещения. 2 На туннельный диод подаётся небольшое положительное напряжение. 2 В этом состоянии часть электронов из зоны проводимости n-типа туннелирует в пустую валентную зону p-типа, что создаёт небольшой ток, протекающий через диод. 2
3. Увеличение напряжения. 2 При увеличении напряжения образуется большое количество свободных электронов на n-стороне и дырок на p-стороне. 2 Из-за увеличения напряжения увеличивается перехлёст. 2 Энергетический уровень зоны проводимости n-типа в точности равен энергетическому уровню валентной зоны при максимальном протекании туннельного тока p-типа. 2
4. Если приложенное напряжение превышает пиковое напряжение. 2 Когда напряжение увеличивается больше, чем пиковое, уровень энергии зоны проводимости на n-стороне и валентной зоны на p-стороне смещаются. 2 Из-за этого смещения уменьшается туннелирование носителей заряда, что приводит к уменьшению туннельного тока. 2

Образующаяся область отрицательного дифференциального сопротивления, где увеличение напряжения сопровождается уменьшением силы тока, используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов. 35