1.Trạng thái phân cực thuận

Diode tunnel có nồng độ pha tạp rất lớn do đó sự chênh lệch các mức năng lượng cũng rất lớn, dẫn đến mức năng lượng của dải dẫn phía n và dải hóa trị phía p chồng lấn lên nhau. Cơ học lượng tử phát biểu rằng electron có thể chui qua hàng rào thế năng nếu như độ dày vùng nghèo rất mỏng.

Trong trạng thái phân cực thuận, khi điện áp bắt đầu tăng lên, electron bắt đầu chui hầm qua lớp tiếp giáp p-n rất hẹp và lấp đầy các lỗ trống trong dải dẫn phía bán dẫn. Khi điện áp tiếp tục tăng lên, chênh lệch các mức năng lượng trở nên càng lớn và dòng qua diode giảm. Đây được gọi là vùng trở kháng âm vì dòng điện giảm trong khi điện áp tăng. Với điện áp tiếp tục tăng lên, diode biến thiên như diode thông thường, các electron được dẫn qua tiếp giáp p-n. Vùng làm việc quan trọng nhất của diode tunnel chính là vùng điện trở âm. Đặc tuyến Volt-Ampere của diode tunnel do đó khác với diode thông thường

2. Trạng thái phân cực ngược

Khi hoạt động trong trạng thái phân cực ngược, diode tunnel được gọi là diode ngược và đóng vai trò như chuyển mạch tốc độ cao với độ tuyến tính rất cao (chúng có đường đặc tuyến dưới 0 dạng hàm mũ chuẩn). Lúc này các electron lại chui hầm xuyên qua lớp tiếp giáp theo chiều ngược lại từ bán dẫn p sang bán dẫn n.