Diode bình thường dẫn điện khi lớp tiếp giáp p-n phân cực thuận và khóa khi tiếp gíap phân cực ngược cho đến khi điện áp đạt tới ngưỡng gọi là "điện áp ngược đánh thủng" và diode lại bắt đầu dẫn điện (thường đi kèm với sự phá hủy của linh kiện). Với diode tunnel, mật độ pha tạp trong lớp p và lớp n rất cao đến mức điện áp ngược đánh thủng gần như bằng 0 và diode dẫn điện theo chiều ngược lại. Tuy nhiên, trong chế độ phân cực thuận, hiệu ứng gọi là "hiệu ứng đường hầm cơ học lượng tử" dẫn đến một vùng trên đặc tuyến ở đó sự tăng của điện áp dẫn tới sự giảm của dòng điện. Vùng điện trở âm này được sử dụng trong phiên bản bán dẫn của mạch tạo dao động Dynatron vốn sử dụng đèn chân không 3 cực

Diode tunnel cho thấy tiềm năng rất lớn trong các ứng dụng tạo dao động và chuyển mạch tốc độ cao bởi vì tần số hoạt động cao hơn nhiều so với đèn chân không, ở dải tần của vi sóng. Ứng dụng của diode tunnel có thể kể đến như thạch anh nội của các bộ thu sóng truyền hình UHF, mạch kích của dao động ký, mạch đếm tốc độ cao, mạch tạo xung nhanh. Nó cũng có thể được sử dụng trong khuếch đại vi sóng độ nhiễu thấp. Kể từ khi được phát minh, nhiều thiết bị bán dẫn thông thường khác đã vượt qua hiệu năng của diode tunnel. Trong nhiều ứng dụng, linh kiện bán dẫn 3 cực, ví dụ như transistror hiệu ứng trường, tỏ ra linh hoạt hơn so với các linh kiện chỉ có 2 cực. Diode tunnel trong thực tế hoạt động trong vùng vài miliamp vài phần mười volt, do đó chúng thuộc loại linh kiện công suất nhỏ. Diode Gunn có khả năng hoạt động ở tần số cao trong khi có công suất lớn hơn nhiều.

Diode tunnel cũng có khả năng kháng bức xạ ion lớn hơn nhiều các loại diode khác do đó chúng phù hợp với các môi trường bức xạ cao ví dụ như ngoài không gian