ก่อนที่จะถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์และวงจรรวมหลอดสุญญากาศ (วาล์ว thermionic) ถูกนำมาใช้เป็นส่วนใหญ่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เช่นโทรทัศน์วิทยุและคอมพิวเตอร์ พวกเขายังคงใช้งานในปัจจุบันในอุปกรณ์พิเศษบางอย่าง
การประดิษฐ์หลอดสุญญากาศนั้นมีอายุย้อนไปถึงการสังเกตของเอดิสันเอฟเฟ็กต์ Edison ตั้งข้อสังเกตว่ากระแสไฟฟ้าไหลระหว่างไส้หลอดของหลอดไส้และจานภายในสูญญากาศเมื่อแผ่นเชื่อมต่อกับปลายบวกของไส้หลอด
เนื่องจากคอมพิวเตอร์เครื่องแรกวิ่งบนหลอดสูญญากาศแทนที่จะเป็นชิปคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กในปัจจุบันคอมพิวเตอร์เครื่องเดียวจึงต้องมีหลอดสุญญากาศหลายพันหลอดและสามารถเติมทั้งห้องได้ แอมพลิฟายเออร์สเตอริโอรุ่นแรก ๆ ยังใช้หลอดสุญญากาศและแม้กระทั่งทุกวันนี้ออดิโอไฟล์บางประเภทก็ชอบเพราะมันเพี้ยนน้อยกว่า หลอดสุญญากาศยังคงใช้ในแอมป์กีต้าร์ไฟฟ้าบางตัว นอกจากนี้ยังมีการใช้หลอดในการใช้งานทางทหารเนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของหลอดไม่ได้รับผลกระทบจากคลื่นวิทยุที่เกิดจากการระเบิดของอะตอม
โดยทั่วไปหลอดสุญญากาศจะถูกหุ้มไว้ในตู้กระจกแม้ว่าบางหลอดจะใช้เซรามิกหรือโลหะแทน ในการออกแบบไดโอดขั้นพื้นฐานที่สุดหลอดหรือซองจดหมายถูกปิดผนึกแน่นเพื่อสร้างสุญญากาศ อิเล็กโทรดภายในซองจดหมายจะถูกติดไว้กับตัวนำซึ่งยื่นออกมาจากซองจดหมายและเสียบเข้ากับซ็อกเก็ต หลอดสูญญากาศขั้นพื้นฐานมีเส้นใยภายในซองคล้ายกับหลอดไฟ เส้นใยถูกทำให้ร้อนและปล่อยอิเล็กตรอนออกมาก่อให้เกิดเมฆอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ อิเล็กตรอนถูกดึงไปยังขั้วบวกหรือแผ่นโลหะขนาดเล็กภายในหลอดซึ่งมีประจุบวกและมีการไหลแบบทิศทางเดียวระหว่างเส้นใยและแผ่น
อิเล็กโทรดเพิ่มเติมในรูปแบบของตารางคล้ายหน้าจอขนาดเล็กบางครั้งมีอยู่ในหลอดซึ่งเรียกว่า triode ซึ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้นและสามารถขยายแรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับกริดการไหลระหว่างไส้และจานสามารถเปลี่ยนแปลงได้ นอกจากไดโอดและไตรโอดอร์แล้วยังมีนวัตกรรมใหม่ ๆ เพิ่มเติม ได้แก่ เทตโดรเดส hexodes heptodes และ octode ออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่หลากหลายและลดความเพี้ยน หลอดสูญญากาศบางรุ่นรวมฟังก์ชั่นของไดโอดสองตัวหรือมากกว่าเข้าด้วยกันในหน่วยเดียว
หนึ่งในข้อเสียเปรียบที่สำคัญของหลอดสูญญากาศคือเส้นใยจะไม่เสถียรเมื่อเวลาผ่านไป นอกจากนี้หากอากาศรั่วเข้าไปในท่อออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับไส้หลอดร้อนและทำลายมัน คุณสมบัติของหลอดจะเปลี่ยนไปตามอายุซึ่งเป็นสาเหตุที่โทรทัศน์ชุดหลอดสูญญากาศในช่วงต้นต้องมีการปรับบ่อยครั้งเพื่อให้ได้ภาพที่ดี
