Der Tunneleffekt kann beobachtet werden, wenn z.B. zwei Metallelektroden so weit angenähert werden, dass sie nur noch durch eine sehr dünne, isolierende Schicht voneinander getrennt sind. In diesem Fall bedeutet "sehr dünn" ungefähr 1 nm - mit anderen Worten, nur 10 Atome in einer Reihe. Elektronen in der Nähe der Fermi-Energie können durch diesen Isolator tunneln, auch wenn ihre klassische Energie zu niedrig sein würde, um die Potenzialbarriere zu überwinden. Den Tunneleffekt kann man am besten durch seine quantenmechanische Beschreibung verstehen, bei der der Welle-Teilchen-Dualismus es dem Elektron gestattet, eine Potenzialbarriere zu überbrücken. Betrachten wir ein Teilchen mit der Energie E und der Masse m, welches sich in einem Potenzial bewegen soll, das in nebenstehender Abbildung dargestellt ist.

Klassisch hätte ein Teilchen mit einer Energie E < U nie die Möglichkeit, durch die Potenzialbarriere in den Bereich III zu gelangen. Quantenmechanische Rechnungen ergeben allerdings ein anderes Resultat. Danach wird eine von links einlaufende Welle nur teilweise reflektiert, während der restliche Teil durch die Barriere hindurch in das Gebiet III gelangen kann, obwohl es eigentlich aus energetischer Sicht verboten wäre. Zu einem Verständnis dieses Sachverhalts kann man gelangen, indem man die Lösung der Schrödingergleichung für dieses Problem betrachtet.