Ennen kuin ne korvattiin transistoreilla ja integroiduilla piireillä, tyhjöputkia (termioniventtiilejä) käytettiin pääasiassa elektronisissa laitteissa, kuten televisioissa, radioissa ja tietokoneissa. Ne ovat edelleen käytössä muutamissa erikoislaitteissa.
Tyhjiöputkien keksiminen juontaa juurensa niin sanotun Edison-ilmiön havaintoon, Thomas Edisonin havaintoon. Edison totesi, että virta kulkee hehkulampun hehkulangan ja levyn välillä tyhjiössä, kun levy on kytketty hehkulangan positiiviseen päähän.
Koska ensimmäiset tietokoneet käyttivät tyhjiöputkia nykyisten pienten tietokonepiirien sijasta, yhden tietokoneen piti sisältää tuhansia tyhjiöputkia ja se pystyi täyttämään koko huoneen. Varhaiset stereovahvistimet käyttivät myös tyhjiöputkia, ja nykyäänkin jotkut audiofiilit suosivat niitä, koska ne tuottavat vähemmän vääristymiä. Tyhjiöputkia käytetään edelleen joissakin sähkökitaran vahvistimissa. Lisäksi putkia käytetään edelleen joissakin sotilaallisissa sovelluksissa, koska atomiräjähdysten aiheuttamat radioaallot eivät vaikuta putki -elektroniikkaan.
Tyhjiöputket on yleensä suljettu lasikoteloon, vaikka jotkut putket käyttävät keraamista tai metallia. Perusdiodirakenteessaan putki tai kirjekuori suljetaan tiiviisti tyhjiön luomiseksi. Kirjekuoren sisällä olevat elektrodit on kiinnitetty johtimiin, jotka ulkonevat kirjekuoresta ja kytketään pistorasiaan. Perustyhjiöputki sisältää hehkulankoja kirjekuoressa, samanlaisia kuin hehkulampun. Filamentit kuumennetaan ja vapauttavat sitten elektroneja, jolloin syntyy negatiivisesti varautunut elektronipilvi. Elektronit vedetään anodiin tai pieneen metallilevyyn putken sisällä, joka on positiivisesti varautunut, ja hehkulangan ja levyn väliin muodostuu yksisuuntainen virtaus.
Putkessa on joskus lisäelektrodi pienen seulamaisen ruudukon muodossa, jota kutsutaan sitten triodiksi, joka on tehokkaampi ja kykenee vahvistamaan jännitettä. Kun verkkoon syötetään jännitettä, hehkulangan ja levyn välistä virtausta voidaan muuttaa. Diodien ja triodien lisäksi seurasi uusia innovaatioita, mukaan lukien tetrodit, heksodit, heptodit ja oktodit, jotka on suunniteltu erilaisiin erikoissovelluksiin ja vääristymien minimoimiseksi. Jotkut tyhjiöputket yhdistävät kahden tai useamman diodin tai triodin toiminnon yhdessä yksikössä.
Yksi tyhjiöputkien suurimmista haitoista on, että filamentti muuttuu epävakaaksi ajan myötä. Lisäksi jos ilmaa vuotaa putkeen, happi reagoi kuuman filamentin kanssa ja vahingoittaa sitä. Putken ominaisuudet muuttuvat iän myötä, minkä vuoksi varhaisia tyhjiöputkitelevisioita oli säädettävä usein hyvän kuvan tuottamiseksi.