A vákuumcsövek kora
A villamos energia elméleti és kísérleti vizsgálata a 18. és 19. században az első elektromos gépek kifejlesztéséhez és az elektromosság széleskörű használatának kezdetéhez vezetett. Az elektronika története a 19. század végén kezdett külön fejlődni az elektromosság történetétől, amikor Sir Joseph John Thomson angol fizikus azonosította az elektront, és Robert A. Millikan amerikai fizikus 1909-ben megmérte annak elektromos töltését.
Thomson munkájának idején Thomas A. Edison amerikai feltaláló bizonyos körülmények között kékes izzást figyelt meg néhány korai izzójában, és megállapította, hogy a lámpa egyik elektródájáról a másikra áram folyik, ha a másodikat (anódot) az elsőhöz (katódhoz) képest pozitív töltésűvé tesszük. Thomson és tanítványai, valamint John Ambrose Fleming angol mérnök munkája során kiderült, hogy ez az úgynevezett Edison-effektus a katód, a lámpa forró izzószálának elektronkibocsátásából ered. Az elektronok mozgása az anód, egy fémlemez felé olyan elektromos áramot jelentett, amely nem létezne, ha az anód negatív töltésű lenne.
Ez a felfedezés lendületet adott az elektroncsövek fejlesztéséhez, beleértve William D. Coolidge amerikai mérnök továbbfejlesztett röntgencsövét és Fleming termionikus szelepét (kételektródás vákuumcső) a rádióvevőkben való használatra. A rádiójelek érzékeléséhez, amelyek nagyon nagy frekvenciájú váltakozó áramot (AC) jelentenek, a jelet egyenirányítani kell, azaz a váltakozó áramot egyenárammá (DC) kell alakítani egy olyan eszközzel, amely csak akkor vezet, ha a jel egyik polaritású, de nem, ha a másik polaritású – pontosan ezt tette Fleming (1904-ben szabadalmaztatott) szelepe. Korábban a rádiójeleket különböző empirikusan kifejlesztett eszközökkel érzékelték, mint például a “macskabajusz” detektor, amely egy finom drótból (a bajuszból) állt, amely finoman érintkezett egy természetes ólomszulfid (galenit) kristály vagy más félvezető anyag felületével. Ezek az eszközök megbízhatatlanok voltak, nem rendelkeztek megfelelő érzékenységgel, és a kívánt eredmény eléréséhez a bajusz és a kristály érintkezésének állandó beállítására volt szükség. Mégis ezek voltak a mai szilárdtest-eszközök előfutárai. Az a tény, hogy a kristályegyenirányítók egyáltalán működtek, arra ösztönözte a tudósokat, hogy folytassák tanulmányozásukat, és fokozatosan megszerezzék a félvezető anyagok elektromos tulajdonságainak alapvető megértését, ami lehetővé tette a tranzisztor feltalálását.
1906-ban Lee De Forest amerikai mérnök kifejlesztett egy olyan típusú vákuumcsövet, amely képes volt rádiójelek erősítésére. De Forest a Fleming által konstruált kételektródás termionikus szelep katódja és anódja közé egy finom drótból készült rácsot illesztett. Az új készülék, amelyet De Forest Audionnak nevezett el (1907-ben szabadalmaztatták), így egy három elektródos vákuumcső volt. Működés közben az ilyen vákuumcsőben az anód pozitív potenciált kap a katódhoz képest (pozitívan előfeszített), míg a rács negatívan előfeszített. A rácson lévő nagy negatív előfeszítés megakadályozza, hogy a katódról kibocsátott elektronok elérjék az anódot; mivel azonban a rács nagyrészt nyitott tér, egy kisebb negatív előfeszítés lehetővé teszi, hogy néhány elektron áthaladjon rajta és elérje az anódot. A rácspotenciál kis változásai így nagy mennyiségű anódáramot képesek szabályozni.
A vákuumcső lehetővé tette a rádiózás, a távolsági telefonálás, a televíziózás és az első elektronikus digitális számítógépek kifejlesztését. Ezek a korai elektronikus számítógépek voltak tulajdonképpen a valaha épített legnagyobb vákuumcsöves rendszerek. Talán legismertebb képviselője az 1946-ban elkészült ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer).
A vákuumcsövek sokféle alkalmazásának különleges követelményei számos fejlesztést eredményeztek, amelyek lehetővé tették, hogy nagy teljesítményt kezeljenek, nagyon magas frekvencián működjenek, az átlagosnál nagyobb megbízhatósággal rendelkezzenek, vagy nagyon kompakt (gyűszűméretű) legyen. A katódsugárcső, amelyet eredetileg elektromos hullámformák képernyőn való megjelenítésére fejlesztettek ki mérnöki mérésekhez, a televíziós képcsővé fejlődött. Az ilyen csövek úgy működnek, hogy a katódról kibocsátott elektronokat vékony sugárrá alakítják, amely a cső végén lévő fluoreszkáló képernyőre esik. A képernyő olyan fényt bocsát ki, amely a csövön kívülről is látható. Az elektronsugár eltérítésével fényminták keletkeznek a képernyőn, létrehozva a kívánt optikai képet.
A szilárdtest-eszközök figyelemre méltó sikere ellenére a legtöbb elektronikus alkalmazásban vannak bizonyos speciális funkciók, amelyeket csak vákuumcsövek képesek ellátni. Ezek általában szélsőséges teljesítményű vagy frekvenciájú működést igényelnek.
A vákuumcsövek törékenyek, és végül elhasználódnak a használat során. A normál használat során a meghibásodás vagy a berendezés be- és kikapcsolása során ismétlődő fűtés és hűtés hatására következik be (termikus fáradás), ami végül fizikai törést okoz a cső belső szerkezetének valamelyik részében, vagy a katód tulajdonságainak a csőben lévő maradék gázok általi romlása miatt. A vákuumcsöveknek is időbe telik (néhány másodperctől néhány percig), amíg “bemelegednek” az üzemi hőmérsékletre – ez a legjobb esetben is kellemetlen, és néhány esetben komoly korlátot jelent a használatukban. Ezek a hiányosságok arra ösztönözték a Bell Laboratories tudósait, hogy a vákuumcső alternatíváját keressék, és a tranzisztor kifejlesztéséhez vezettek.