Fotomultiplikatorska cijev koristi dva znanstvena principa za pojačavanje učinka jednog upadnog fotona. Izrađeni su u mnogo različitih konfiguracija od materijala osjetljivih na svjetlost i kutova upadnog svjetla kako bi se postiglo visoko pojačanje i niski odziv na šum u svom radnom rasponu ultraljubičastih, vidljivih i bliskih infracrvenih frekvencija. Izvorno razvijena kao televizijska kamera s većim odzivom, fotomultiplikatorske cijevi sada se nalaze u mnogim aplikacijama.
Izumom poluvodiča, vakuumske cijevi su uvelike eliminirane iz elektroničke industrije, s izuzetkom fotomultiplikatora. U ovom uređaju, jedan foton prolazi kroz prozor ili prednju ploču i udara u fotokatodu, elektrodu napravljenu od fotoelektričnog materijala. Ovaj materijal apsorbira energiju svjetlosnog fotona na određenim frekvencijama i emitira elektrone u rezultatu koji se naziva fotoelektrični efekt.
Učinci ovih emitiranih elektrona pojačavaju se korištenjem principa sekundarne emisije. Elektroni emitirani iz fotokatode fokusirani su na prvu u nizu ploča za množenje elektrona koje se nazivaju dinode. Na svakoj dinodi dolazni elektroni uzrokuju emitiranje dodatnih elektrona. Dolazi do kaskadnog efekta, a upadni foton je pojačan ili detektiran. Stoga je osnova za naziv “fotomultiplikator”, vrlo mali signal jednog fotona ojačan do točke u kojoj se lako može detektirati protokom struje iz cijevi fotomultiplikatora.
Spektralni odgovori fotomultiplikatorske cijevi prvenstveno su posljedica dva elementa dizajna. Vrsta prozora određuje koji fotoni mogu proći u uređaj. Materijal fotokatode određuje odgovor na foton. Ostale varijacije dizajna uključuju prozore postavljene na kraju cijevi ili bočne prozore gdje se tok fotona odbija od fotokatode. Kako je pojačanje ili pojačanje ograničeno procesom sekundarne emisije i ne raste s povećanim naponom ubrzanja, razvijeni su višestupanjski fotomultiplikatori.
Odziv fotokatode ovisi o frekvenciji upadnog fotona, a ne o broju primljenih fotona. Ako se broj fotona povećava, generirana električna struja se povećava, ali frekvencija emitiranih elektrona je konstantna za bilo koju kombinaciju prozor-fotokatoda, rezultat koji je Albert Einstein upotrijebio kao dokaz prirode čestica svjetlosti.
Pojačanje fotomultiplikatora kreće se do 100 milijuna puta. Ovo svojstvo, zajedno s niskim šumom ili neopravdanim signalom, čini ove vakuumske cijevi nezamjenjivim u detekciji vrlo malog broja fotona. Ova mogućnost detekcije korisna je u astronomiji, noćnom vidu, medicinskom oslikavanju i drugim namjenama. Poluvodičke verzije su u upotrebi, ali fotomultiplikator s vakuumskom cijevi je prikladniji za detekciju svjetlosnih fotona koji nisu kolimirani, što znači da svjetlosne zrake ne putuju paralelnim putovima jedna s drugom.
Fotomultiplikatori su najprije razvijeni kao televizijske kamere, što je omogućilo televizijsko emitiranje da pređe izvan studijskih snimaka sa jarkim svjetlom na prirodnije postavke ili izvještavanje na licu mjesta. Iako su u toj primjeni zamijenjene uređajima s nabojnom spregom (CCD), fotomultiplikatorske cijevi su još uvijek široko specificirane. Velik dio razvojnih radova na fotomultiplikatorskoj cijevi radio je RCA u pogonima u Sjedinjenim Državama i bivšem Sovjetskom Savezu u drugoj polovici 20. stoljeća. U prvim desetljećima 21. stoljeća, većinu svjetskih fotomultiplikatora proizvodi japanska tvrtka Hamamatsu Photonics.