Fotopomnoževalna cev uporablja dva znanstvena načela za ojačitev učinka enega samega vpadnega fotona. Izdelane so v številnih različnih konfiguracijah iz svetlobno občutljivih materialov in kotov vpadne svetlobe, da se doseže visok dobiček in nizek odziv hrupa v njihovem delovnem območju ultravijoličnih, vidnih in skoraj infrardečih frekvenc. Fotopomnoževalne cevi, ki so bile prvotno razvite kot bolj odzivna televizijska kamera, se zdaj nahajajo v številnih aplikacijah.
Z izumom polprevodnikov so bile vakuumske cevi v veliki meri izločene iz elektronske industrije, z izjemo fotopomnoževalne cevi. V tej napravi en sam foton preide skozi okno ali sprednjo ploščo in udari v fotokatodo, elektrodo, izdelano iz fotoelektričnega materiala. Ta material absorbira energijo svetlobnega fotona pri določenih frekvencah in oddaja elektrone, kar se imenuje fotoelektrični učinek.
Učinki teh oddanih elektronov se povečajo z uporabo načela sekundarne emisije. Elektroni, ki jih oddaja fotokatoda, so usmerjeni na prvo v nizu plošč za pomnoževanje elektronov, imenovanih dinode. Na vsaki dinodi dohodni elektroni povzročijo oddajanje dodatnih elektronov. Pojavi se kaskadni učinek in vpadni foton je bil ojačan ali zaznan. Zato je osnova za ime “fotomultiplikator” zelo majhen signal posameznega fotona okrepljen do točke, kjer ga je mogoče zlahka zaznati s tokom toka iz fotopomnoževalne cevi.
Spektralni odzivi fotopomnoževalne cevi so predvsem posledica dveh elementov oblikovanja. Vrsta okna določa, kateri fotoni lahko prehajajo v napravo. Material fotokatode določa odziv na foton. Druge različice zasnove vključujejo okna, nameščena na koncu cevi, ali stranska okna, kjer se tok fotonov odbija od fotokatode. Ker je ojačenje ali ojačanje omejeno s sekundarnim emisijskim procesom in se ne poveča s povečano pospeševalno napetostjo, so bili razviti večstopenjski fotopomnoževalci.
Odziv fotokatode je odvisen od frekvence vpadnega fotona in ne od števila prejetih fotonov. Če se število fotonov poveča, se ustvarjeni električni tok poveča, vendar je frekvenca oddanih elektronov konstantna za katero koli kombinacijo okna-fotokatode, rezultat, ki ga je Albert Einstein uporabil kot dokaz o naravi svetlobe delcev.
Ojačanje fotopomnoževalne cevi se giblje do 100 milijonov krat. Zaradi te lastnosti, skupaj z nizkim šumom ali neupravičenim signalom, so te vakuumske cevi nepogrešljive pri zaznavanju zelo majhnega števila fotonov. Ta zmožnost zaznavanja je uporabna v astronomiji, nočnem vidu, medicinskem slikanju in drugih uporabah. V uporabi so polprevodniške različice, vendar je fotopomnoževalnik z vakuumsko cevjo bolj primeren za zaznavanje svetlobnih fotonov, ki niso kolimirani, kar pomeni, da svetlobni žarki ne potujejo med seboj vzporedno.
Fotopomnoževalci so bili najprej razviti kot televizijske kamere, ki so omogočile, da se televizijsko oddajanje premakne od studijskih posnetkov s svetlimi lučmi v bolj naravne nastavitve ali poročanje na kraju samem. Čeprav so bile v tej aplikaciji zamenjane z napravami s sklopko polnjenja (CCD), so fotopomnoževalne cevi še vedno široko opredeljene. Velik del razvojnega dela na fotopomnoževalni cevi je RCA opravil v obratih v ZDA in nekdanji Sovjetski zvezi v drugi polovici 20. stoletja. V prvih desetletjih 21. stoletja večino fotopomnoževalnih cevi na svetu izdeluje japonsko podjetje Hamamatsu Photonics.