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控制电流与光的材料
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电压加大，电流却开始下降
普通二极管正向导通时，电压加大，电流通常也跟着加大。Esaki 的重掺杂锗结却画出了一条奇怪曲线：电流先上升到峰值，接着在电压继续增加的一段范围内下降，再转而上升。下降分支可以重复测到，它就不再只是图上一个应当删掉的坏点，而成了结本身需要解释的行为。
Esaki 于 1957 年研究这一现象，短文在当年十月收到，1958 年一月发表于《Physical Review》。关键样品是两侧都经过很重掺杂的窄结，实际证据是一整条电流—电压曲线。可以把实验想成缓慢转动电压旋钮，每次等电路稳定，再记电流；峰与谷属于整个扫描，不是一张显微照片上的结构。样品处理和温度都会影响曲线。若只报告“反向漏电很大”，还会留下许多普通漏电机制的解释空间。
重掺杂同时改变了路程和电子占据
掺入施主或受主，会改变电子、空穴的供给。普通结中，两侧导电区之间存在耗尽区；重掺杂让这个区域变窄，内部电场变强。量子电子由波函数描述，波函数能够伸入经典力学不允许的区域。只要势垒足够薄，电子即使没有翻越势垒的经典能量，也可能从另一侧出现，这就是这里要用到的隧穿。
这一关系用矩形势垒说明宽度为何重要：宽度以长度计，有效质量描述电子在材料中的运动响应，势垒高度要大于入射能量。这项估算采用厚度增加时透射按指数减小的主导趋势，省略边界匹配的前因子。若假定势垒比入射能量高零点二电子伏特、有效质量是自由电子的十分之一，额外增加两纳米宽度，指数透射因子约会缩小十八倍。这组数字专用于量级估算，不是从原始样品反推的参数。
重掺杂还带来第二个变化：载流子进入简并范围，化学势相对能带的位置开始强烈影响哪些能态已经填满。薄势垒解决“能不能穿过去”，占据分布解决“有没有电子可出发、到达处有没有空位”。缺少后一步，就解释不了电流为什么先增后减。
来源：[1]
起点有电子，终点还得有合适空位
对于弹性隧穿，电子两侧连接的状态具有相同总能量。它出发的态要已经占据，到达的态还要空着，电流则由正、反两向跃迁之差决定。对各个能量的贡献求和，把透射、态密度和占据差放在一起；两个分布函数表示相应载流子库的 Fermi 占据，能量坐标还必须随偏压下的能带对齐来处理。
这是一种整理思路的表达式，不是完整锗隧道二极管的定量计算。晶体还会提出动量选择条件，锗又是间接能带材料，声子辅助过程不能一概抹去。简单能带图的作用，是帮助读者看清两个问题同时变化：偏压既改变穿越条件，也改变“这一边已占据、另一边尚空着”的状态重叠。前一个条件变好，后一个重叠却可能变差。只想着“电压更大，电子更容易穿过去”，会漏掉下降分支真正需要的解释。
还可以用零偏压检查这个图像。即使两边都有允许隧穿的态，热平衡时正、反方向的跃迁仍会相互抵消，薄势垒自己不会提供持续净电流。加压以后，平衡与能态对齐一起改变。电流峰值出现在哪个电压，反映的是这只结的对齐条件，不能直接把峰值电压当成矩形势垒高度。
来源：[1]
峰、谷和再次上升，分别说明什么
刚开始增加正向偏压时，可参与的已占据态与空态重叠增大，隧穿电流上升。越过峰值后，合适重叠缩小，隧穿贡献开始下降。偏压更大时，普通载流子注入与扩散又会变得显著，带来后面的再次上升。仪器量到的是这些贡献之和，谷底一般不意味着所有跃迁都被绝对禁止，更不必恰好降到零电流。
温度扫描能帮助区分各个环节。升温会把占据边缘展宽，声子也能参与跃迁；缺陷和不理想界面还可能打开额外通路。峰谷比因此属于指定条件下的指定器件，不能把它当成“只要发生隧穿就必定得到”的普适数字。
证据的力度来自结构与曲线相互配合：窄而重掺杂的结，配上可重复的峰值、下降区与谷值，再看温度和样品条件怎样改变各段。理论不仅要说出“存在量子效应”，还要解释哪一段由什么过程主导、为什么别的通道会抬高谷底。这比单独观察到某个电流随温度变化，提出了更明确的检验。
来源：[1]
负微分电阻，并不是器件凭空供能
下降分支对应负微分电阻：电压增加一点，电流反而减小一点。这里的电阻指曲线局部斜率的倒数，与总电压除以总电流不同，也不能直接当成器件消耗功率的正负。
用一组专门虚构的数字说明。若零点一伏时有一毫安，零点二伏时降到半毫安，这一段的差分电阻约为负二百欧；但两个端点的电压、电流都为正，器件仍消耗正电功率。选择合适偏置后，下降特性可以为小信号提供增益，或补偿振荡电路损耗，供能的仍是偏置电源。
外围电路也会改变看到的扫描。负载线可能与器件曲线有多个交点，扫描时工作点会跳跃，不一定能平稳经过整条下降分支。串联电阻、扫描速度和测量稳定性，都要放进解释。曲线上突然跳了一下，不自动等于电子谱里又多出一个新结构；先分清器件自身的特性与电路选中的工作状态。
来源：[1]
从隧穿证据回到能带与器件
1973 年，Esaki 与 Giaever 因固体中的隧穿实验共享同一授奖分项，研究对象却不同。Esaki 把半导体结中先增后减的电流，联系到简并载流子库；Giaever 用金属—绝缘层—超导体结探查超导激发结构。共同的隧穿过程，没有让两种样品和解释变成同一回事。
这项发现把量子跃迁与器件电流接了起来。薄结提供穿越机会，已占据态与空态的重叠决定净电流，其他导电过程又在更高偏压下接手。它们一起形成可测的峰与谷，也让能带对齐成为电子器件能够利用的一种控制方式。