隧道二极管特性的形成原因就在于其掺杂特別重，约为1019/cm3的数量级，是普通二极管的104~105倍。杂质数量的巨大增加引起了 PN结质的变化。下图所示，能带图进行说明。图中阴影范围代表有电子存在的区域。为简化讨论，近似认为在N型半导体中，电子只占据导带中低于费米能级的能级，而P型半导体中价带电子只占据价带中低于费米能级的能级，高于费米能级的那些能级是空着的。
隧道二极管在不同偏压下的能带图 (a)零偏压、(b)N导带对P空价带、(c)N导带对P空价带和禁带、(d)N导带对P禁带、(e)反偏压 图(a)是零偏置的情况。此时，N型半导体的费米能级和P型半导体的费米能级处于同—水平上，由于隧道效应，电子既可从N型半导体的导带流向P型半导体的价带，也可反向流动。在热平衡状态下，两个电流相等并相互抵消。于是外电路电流为零，相当于伏安特性曲线上的O点。
当加上一个小的正向偏压时，势垒高度有所降低。这时，从N型半导体导带流向P型半导体价带的隧道电子数仍不变，但从P型半导体价带流向N型乍导体导带的隧道电子数却减少了，从而出现了隧道电流，使PN结有正向电流通过。随着正向电压的增加，势垒高度进一步降低，直到图（b）那样，N型导带中的电子面对P型价带中空着的能级，而P型价带中的电子则面对着N型的禁带。要发生隧道效应，电子的最初状态和最后状态的能量及动量必须分别守恒，因此电子只能沿着能带图中的水平方向穿越阻挡层。于是，N型导带中的电子可以大量地穿越阻挡层占据P型价带中空着的能级，而P型价带中的电子因面对N型禁带，则不可能进入N型半导体。由于这种隧道效应，外电路将产生大的正向电流，相与于伏安特性曲线上峰点P处的情形。
正向偏压继续加大时，能带如图（c）所示。由干N型半导体上部能级中的电子面对P型半导体的禁带而不可能进入，因而能通过隧道效应进入P型半导体的电子反而减少。在这种情况下，电流随电压增大而减小，这与伏安特性曲线的P、V区间相对应。图（d）相当于伏安持性曲线上谷点V的情况。此时N型导带底与P型价带顶处于同一水平，N型导带中的电子面对P型禁带，P型价带中的电子面对N型禁带，都不能产生隧道电流。但因正向偏压使势垒高度减小，虽然隧道电流为零，却存在扩散电流。所以谷点V的电流并不为零。而且，自谷点以后，随着正向偏压的增加，扩散电流也随之增加，其持性就和普通二极管类似了。
当加反向偏压时，P型一侧所有的能级都升高了，如图（e）所示。由于N型导带中的电子对着P型价带中已被电子占据的能级，所以能穿越阻挡层进入P型的较少，而P型价带中能级较高的电子正对着N型导带中空着的能级，所以有大量电子穿越阻挡层进入N型半导体。由此产生很大的反向电流。随着反向电压的增加，P型侧的能带进一步升高，于是P型价带中便有更多的能级对着N型导带中空着的能级，因而反向电流迅速增大。
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