Es ist mit dem Seebeck- bzw. dem Peltier-Effekt vergleichbar. Der geschätzte mögliche Wirkungsgrad zum Kühlen liegt bei rund 55 % des Carnot-Wirkungsgrades. Damit wäre das Verfahren etwas effizienter als eine Wärmepumpe im Kühlschrank. Prototypen erreichen allerdings nur 5 % Wirkungsgrad.

Anstatt zwei verschiedene Metalle oder Halbleiter wie bei einem Thermoelement in Kontakt zu bringen, benutzt das Thermotunneling-Verfahren ein Vakuum zwischen den Materialien. Durch das Vakuum sind sie bezüglich der Wärmeleitung gut isoliert, obwohl sie nur rund 7 nm (70 Å) voneinander entfernt sind.

Die Elektronen können über das Vakuum hinweg tunneln. Um dies zu erleichtern, können an den Grenzflächen Mikrostrukturen oder spezielle Dotierungen aufgebracht werden. Die Mikrostrukturen verbieten verschiedene niederenergetische Quantenzustände. Dadurch befinden sich die Elektronen automatisch auf höheren Energieniveaus und tunneln so mit einer größeren Wahrscheinlichkeit über den Spalt.