Era vakuových trubic
Teoretické a experimentální studie elektřiny v 18. a 19. století vedly k vývoji prvních elektrických strojů a k počátkům širokého využití elektřiny. Historie elektroniky se začala vyvíjet odděleně od historie elektřiny koncem 19. století, kdy anglický fyzik sir Joseph John Thomson identifikoval elektron a americký fyzik Robert A. Millikan v roce 1909 změřil jeho elektrický náboj.
V době Thomsonovy práce pozoroval americký vynálezce Thomas A. Edison u některých svých prvních žárovek za určitých podmínek namodralou záři a zjistil, že proud poteče z jedné elektrody v lampě na druhou, pokud se druhá elektroda (anoda) nabije kladně vůči první (katodě). Práce Thomsona a jeho studentů a anglického inženýra Johna Ambrose Fleminga ukázaly, že tento takzvaný Edisonův jev je výsledkem emise elektronů z katody, žhavého vlákna v lampě. Pohyb elektronů k anodě, kovové desce, představoval elektrický proud, který by neexistoval, kdyby byla anoda záporně nabitá.
Tento objev byl impulsem pro vývoj elektronových trubic, včetně zdokonalené rentgenové trubice amerického inženýra Williama D. Coolidge a Flemingova termionického ventilu (dvouelektrodové vakuové trubice) pro použití v rozhlasových přijímačích. Detekce rádiového signálu, který je velmi vysokofrekvenčním střídavým proudem (AC), vyžaduje, aby byl signál usměrněn; tj. střídavý proud musí být převeden na stejnosměrný proud (DC) zařízením, které vede pouze tehdy, když má signál jednu polaritu, ale ne, když má druhou – přesně to Flemingův ventil (patentovaný v roce 1904) udělal. Dříve se rádiové signály detekovaly různými empiricky vyvinutými zařízeními, jako byl detektor „kočičího fousku“, který se skládal z jemného drátku (fousku) v jemném kontaktu s povrchem přírodního krystalu sulfidu olova (galenitu) nebo jiného polovodičového materiálu. Tato zařízení nebyla spolehlivá, neměla dostatečnou citlivost a pro dosažení požadovaného výsledku vyžadovala neustálé nastavování kontaktu whiskeru s krystalem. Přesto se jednalo o předchůdce dnešních polovodičových zařízení. Skutečnost, že krystalové usměrňovače vůbec fungovaly, podnítila vědce k jejich dalšímu studiu a postupnému získání základních poznatků o elektrických vlastnostech polovodičových materiálů, které byly nezbytné pro vynález tranzistoru.
V roce 1906 vyvinul americký inženýr Lee De Forest typ vakuové trubice, která byla schopna zesilovat rádiové signály. De Forest přidal mezi katodu a anodu dvouelektrodového termionického ventilu zkonstruovaného Flemingem mřížku z jemného drátu. Nové zařízení, které De Forest nazval Audion (patentováno v roce 1907), tak bylo tříelektrodovou elektronkou. Při provozu má anoda v takové vakuové trubici kladný potenciál (je kladně vychýlena) vůči katodě, zatímco mřížka je vychýlena záporně. Velké záporné předpětí na mřížce zabraňuje tomu, aby se elektrony emitované z katody dostaly k anodě; protože je však mřížka z velké části otevřený prostor, méně záporné předpětí umožňuje, aby jí některé elektrony prošly a dostaly se k anodě. Malé změny potenciálu mřížky tak mohou řídit velké množství anodového proudu.
Vakuová elektronka umožnila rozvoj rozhlasového vysílání, dálkového telefonování, televize a prvních elektronických digitálních počítačů. Tyto první elektronické počítače byly ve skutečnosti největšími elektronkovými systémy, jaké kdy byly postaveny. Snad nejznámějším představitelem je ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), dokončený v roce 1946.
Speciální požadavky mnoha různých aplikací vakuových elektronek vedly k četným vylepšením, která umožnila zpracovávat velké množství energie, pracovat při velmi vysokých frekvencích, mít větší než průměrnou spolehlivost nebo být velmi kompaktní (velikost náprstku). Z katodové trubice, původně vyvinuté pro zobrazování elektrických průběhů na obrazovce při technických měřeních, se vyvinula televizní obrazovka. Tyto elektronky fungují tak, že elektrony emitované z katody se formují do tenkého paprsku, který dopadá na fluorescenční obrazovku na konci elektronky. Obrazovka vyzařuje světlo, které lze sledovat z vnější strany trubice. Vychylováním elektronového paprsku se na obrazovce vytvářejí světelné obrazce, které vytvářejí požadované optické obrazy.
I přes pozoruhodný úspěch polovodičových zařízení ve většině elektronických aplikací existují určité specializované funkce, které mohou vykonávat pouze vakuové elektronky. Obvykle se jedná o provoz při extrémních výkonech nebo frekvencích.
Vakuové elektronky jsou křehké a v provozu se nakonec opotřebují. K selhání dochází při běžném používání buď vlivem opakovaného zahřívání a ochlazování při zapínání a vypínání zařízení (tepelná únava), což nakonec způsobí fyzický lom v některé části vnitřní struktury trubice, nebo zhoršením vlastností katody vlivem zbytkových plynů v trubici. Vakuovým elektronkám také trvá určitou dobu (od několika sekund až po několik minut), než se „zahřejí“ na provozní teplotu – což je v nejlepším případě nepříjemné a v některých případech vážně omezuje jejich použití. Tyto nedostatky motivovaly vědce v Bellových laboratořích k hledání alternativy k vakuovým elektronkám a vedly k vývoji tranzistoru.