Tyhjiöputkien aikakausi
Sähkön teoreettiset ja kokeelliset tutkimukset 1700- ja 1800-luvuilla johtivat ensimmäisten sähkökoneiden kehittämiseen ja sähkön laajamittaisen käytön alkamiseen. Elektroniikan historia alkoi kehittyä erillään sähkön historiasta 1800-luvun loppupuolella, kun englantilainen fyysikko Sir Joseph John Thomson tunnisti elektronin ja amerikkalainen fyysikko Robert A. Millikan mittasi sen sähkövarauksen vuonna 1909.
Thomsonin työn aikaan yhdysvaltalainen keksijä Thomas A. Edison oli havainnut joissakin varhaisissa hehkulampuissaan tietyissä olosuhteissa sinertävää hehkua ja havainnut, että virta kulkee lampun yhdeltä elektrodilta toiselle, jos toinen elektrodi (anodi) saadaan positiivisesti varautuneeksi ensimmäiseen (katodi) nähden. Thomsonin ja hänen oppilaidensa sekä englantilaisen insinöörin John Ambrose Flemingin tekemät työt osoittivat, että tämä niin sanottu Edison-ilmiö oli seurausta elektronien emittoitumisesta katodista eli lampun kuumasta hehkulangasta. Elektronien liikkuminen anodille, metallilevylle, muodosti sähkövirran, jota ei olisi, jos anodi olisi negatiivisesti varautunut.
Tämä löytö antoi sysäyksen elektroniputkien kehittämiselle, mukaan lukien amerikkalaisen insinöörin William D. Coolidgen kehittämä parannettu röntgenputki ja Flemingin lämpöioniventtiili (kahden elektrodin tyhjiöputki) käytettäväksi radiovastaanottimissa. Radiosignaalin, joka on erittäin suurtaajuista vaihtovirtaa (AC), havaitseminen edellyttää signaalin tasasuuntausta; toisin sanoen vaihtovirta on muutettava tasasähköksi (DC) laitteella, joka johtaa vain silloin, kun signaali on toispuoleinen, mutta ei silloin, kun se on toispuoleinen – juuri näin Flemingin venttiili (patentoitu vuonna 1904) teki. Aiemmin radiosignaalit havaittiin erilaisilla empiirisesti kehitetyillä laitteilla, kuten ”kissanviiksi”-ilmaisimella, joka koostui hienosta langasta (viiksestä), joka oli herkässä kosketuksessa luonnollisen lyijysulfidikiteen (galeniini) tai jonkin muun puolijohdemateriaalin pinnan kanssa. Nämä laitteet olivat epäluotettavia, niiden herkkyys oli riittämätön ja ne vaativat vispilän ja kiteen välisen kontaktin jatkuvaa säätämistä halutun tuloksen saamiseksi. Ne olivat kuitenkin nykyisten puolijohdelaitteiden edelläkävijöitä. Se, että kidesuorittimet ylipäätään toimivat, rohkaisi tutkijoita jatkamaan niiden tutkimista ja vähitellen saamaan perustavanlaatuisen ymmärryksen puolijohdemateriaalien sähköisistä ominaisuuksista, mikä oli välttämätöntä, jotta transistorin keksiminen olisi ollut mahdollista.
Vuonna 1906 yhdysvaltalainen insinööri Lee De Forest kehitti tyhjiöputkityypin, joka kykeni vahvistamaan radiosignaaleja. De Forest lisäsi Flemingin rakentaman kahden elektrodin termioniventtiilin katodin ja anodin väliin hienosta langasta tehdyn ristikon. Uusi laite, jonka De Forest nimesi Audioniksi (patentoitu 1907), oli siis kolmen elektrodin tyhjiöputki. Toiminnassa tällaisen tyhjiöputken anodi saa positiivisen potentiaalin (positiivisesti jännitetty) katodiin nähden, kun taas ristikko on negatiivisesti jännitetty. Ristikon suuri negatiivinen vinouma estää katodilta lähteviä elektroneja pääsemästä anodille; koska ristikko on kuitenkin suurelta osin avointa tilaa, pienempi negatiivinen vinouma sallii joidenkin elektronien kulkea sen läpi ja päästä anodille. Tyhjiöputki mahdollisti radiolähetysten, kaukopuheluiden, television ja ensimmäisten elektronisten digitaalisten tietokoneiden kehittämisen. Nämä varhaiset elektroniset tietokoneet olivat itse asiassa suurimmat koskaan rakennetut tyhjiöputkijärjestelmät. Ehkä tunnetuin edustaja on ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), joka valmistui vuonna 1946.
Vakuumiputkien monien erilaisten sovellusten erityisvaatimukset johtivat lukuisiin parannuksiin, joiden ansiosta ne pystyivät käsittelemään suuria tehomääriä, toimimaan hyvin korkeilla taajuuksilla, olemaan keskimääräistä luotettavampia tai niistä voitiin tehdä hyvin kompakteja (sormustimen kokoisia). Katodisädeputki, joka kehitettiin alun perin sähköisten aaltomuotojen näyttämiseen näytöllä teknisiä mittauksia varten, kehittyi television kuvaputkeksi. Tällaiset putket toimivat siten, että katodista lähtevät elektronit muodostuvat ohueksi säteeksi, joka osuu putken päässä olevaan fluoresoivaan kuvaruutuun. Näyttö lähettää valoa, jota voidaan tarkastella putken ulkopuolelta. Elektronisuihkua poikkeuttamalla kuvaruutuun syntyy valokuvioita, jotka luovat halutut optiset kuvat.
Huolimatta puolijohdekomponenttien huomattavasta menestyksestä useimmissa elektronisissa sovelluksissa, on olemassa tiettyjä erikoistoimintoja, joita vain tyhjiöputket voivat suorittaa. Näihin liittyy yleensä toiminta äärimmäisellä teholla tai taajuudella.
Vakuumiputket ovat hauraita ja lopulta kuluvat käytössä. Vikaantuminen tapahtuu normaalikäytössä joko toistuvan lämpenemisen ja jäähtymisen vaikutuksesta, kun laitteita kytketään päälle ja pois päältä (lämpöväsyminen), mikä lopulta aiheuttaa fyysisen murtuman johonkin putken sisäisen rakenteen osaan, tai katodin ominaisuuksien heikkenemisestä putkessa olevien jäännöskaasujen vaikutuksesta. Tyhjiöputkien ”lämpeneminen” käyttölämpötilaan vie myös aikaa (muutamasta sekunnista useisiin minuutteihin), mikä on parhaimmillaankin hankalaa ja joissakin tapauksissa vakava rajoitus niiden käytölle. Nämä puutteet saivat Bell Laboratoriesin tutkijat etsimään vaihtoehtoa tyhjiöputkelle ja johtivat transistorin kehittämiseen.