Antes de ser reemplazados por transistores y circuitos integrados, los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) se usaban predominantemente en dispositivos electrónicos como televisores, radios y computadoras. Todavía se utilizan hoy en algunos dispositivos especializados.
La invención de los tubos de vacío se remonta a la observación del llamado efecto Edison, una observación realizada por Thomas Edison. Edison notó que la corriente fluye entre el filamento de una lámpara incandescente y una placa dentro del vacío, cuando la placa está conectada al extremo positivo del filamento.
Debido a que las primeras computadoras funcionaban con tubos de vacío en lugar de los pequeños chips de computadora de hoy en día, una sola computadora tenía que contener miles de tubos de vacío y podía llenar una habitación entera. Los primeros amplificadores estéreo también usaban válvulas de vacío, e incluso hoy en día, algunos audiófilos las prefieren porque producen menos distorsión. Los tubos de vacío todavía se utilizan en algunos amplificadores de guitarra eléctrica. Además, los tubos todavía se utilizan en algunas aplicaciones militares, porque la electrónica de los tubos no se ve afectada por las ondas de radio producidas por las explosiones atómicas.
Los tubos de vacío generalmente están encerrados en una caja de vidrio, aunque algunos tubos usan cerámica o metal en su lugar. En su diseño de diodo más básico, el tubo, o sobre, está sellado herméticamente para crear un vacío. Los electrodos dentro del sobre están conectados a cables, que sobresalen del sobre y se conectan a un enchufe. Un tubo de vacío básico contiene filamentos dentro de la envoltura, similares a los de una bombilla. Los filamentos se calientan y luego liberan electrones, creando una nube de electrones cargados negativamente. Los electrones son atraídos hacia un ánodo, o una pequeña placa de metal, dentro del tubo, que está cargado positivamente, y se establece un flujo unidireccional entre el filamento y la placa.
En ocasiones, el tubo contiene un electrodo adicional en forma de una pequeña rejilla similar a una pantalla, que luego se denomina triodo, que es más eficiente y capaz de amplificar el voltaje. A medida que se aplica voltaje a la rejilla, se puede variar el flujo entre el filamento y la placa. Además de los diodos y triodos, siguieron otras innovaciones, incluidos tetrodos, hexodos, heptodos y octodos, diseñados para una variedad de aplicaciones especiales y para minimizar la distorsión. Algunos tubos de vacío combinan la función de dos o más diodos o triodos en una sola unidad.
Uno de los principales inconvenientes de los tubos de vacío es que el filamento se vuelve inestable con el tiempo. Además, si entra aire en el tubo, el oxígeno reaccionará con el filamento caliente y lo dañará. Las propiedades de un tubo cambiarán con la edad, razón por la cual los primeros televisores con tubo de vacío tenían que ajustarse con frecuencia para producir una buena imagen.