Tunelski spoj je točka u kojoj se susreću dva različita električno vodljiva ili magnetska materijala, obično odvojena tankom barijerom, u svrhu prelaska elektrona s jednog materijala na drugi. Definirajući aspekt tunelskog spoja je da su, mehanički gledano, elektroni preslabi da prodru kroz barijeru spoja, ali to ipak čine prema principu zvanom kvantno tuneliranje. Tunelski spojevi korisni su u mnogim elektroničkim uređajima s brzim djelovanjem, kao što su čipovi flash memorije, povećavajući učinkovitost fotonaponskih ćelija i konstrukciju iznimno brzih dioda sposobnih reagirati na višim frekvencijama nego što bi inače bilo moguće.
Princip kvantnog tuneliranja, na kojem se temelji rad svih tunelskih spojeva, utemeljen je na teorijama kvantne mehanike. Ove teorije navode da iako, matematički, elektronu nedostaje aktivna mehanička energija da prođe kroz pohranjenu energiju dane barijere, šanse da bilo koji elektron probije barijeru, iako iznimno male, nisu nule. Kako prolazak elektrona preko očito superiorne barijere obično nije matematički ili mehanički moguć, ali ipak postoji, znanstvenici su pretpostavili da elektron to postiže kao rezultat teorije kvantne mehanike nazvane dualitet val-čestica.
Teorija dualnosti val-čestica navodi da svi oblici materije, elektricitet u slučaju tunelskog spoja, istovremeno postoje u dva odvojena stanja. Prvo, materija postoji kao čestica, kao što je elektron, koja zbog svoje mase i brzine ima određenu količinu aktivne mehaničke energije. Drugo, materija postoji kao valni oblik, koji djeluje i vibrira na određenoj frekvenciji.
Kao rezultat dualnosti val-čestica, elektron možda nema aktivnu mehaničku energiju za prolazak kroz barijeru; međutim, na dovoljno visokoj frekvenciji, može imati dovoljno energije valnog oblika da prođe kroz barijeru. Na dovoljno visokoj frekvenciji, energija valnog oblika elektrona može doslovno vibrirati kroz niskofrekventnu barijeru u akciji koja se naziva kvantno tuneliranje. Kao rezultat vrlo visokih frekvencija uključenih u kvantno tuneliranje, djelovanje uključenih elektrona događa se iznimno brzo, što omogućuje uređaju koji koristi tunelski spoj da radi iznimno brzo. Ta se brzina tada može koristiti ili za ubrzanje rada električne opreme ili za otkrivanje, identificiranje i reagiranje na vrlo brze oblike energije kao što su svjetlosni valovi.
U praksi se tunelski spojevi prvenstveno koriste u elektronici. Oni omogućuju brzinu čitanja i pisanja u flash memoriju i iz nje, omogućuju proizvodnju iznimno brzih oscilatora koji povećavaju radnu brzinu računala i dopuštaju izgradnju znanstvenih instrumenata koji mogu detektirati i raditi u okruženjima s visokim zračenjem.
Tunelski spoj se također može koristiti za interakciju sa svjetlosnom energijom i uključen je u niz istraživačkih projekata vezanih uz svjetlost. U istraživanju čiste energije ugrađuje se u visoko učinkovite solarne ćelije, gdje mu visoke radne frekvencije omogućuju hvatanje više energije od konvencionalnih ćelija iz iste količine svjetlosti. Također se koristi zajedno sa supravodnicima za proizvodnju detektora sličnih onima koji se koriste u digitalnim kamerama, s iznimkom da mogu vidjeti ultraljubičaste, rendgenske zrake i mnoge druge vrste energije i zračenja valnih oblika.