Fotodaugintuvo vamzdelis naudoja du mokslinius principus, kad sustiprintų vieno kritusio fotono poveikį. Jie gaminami iš įvairių konfigūracijų iš šviesai jautrių medžiagų ir krintančios šviesos kampų, kad būtų pasiektas didelis stiprinimas ir mažas triukšmo atsakas ultravioletinių, matomų ir artimųjų infraraudonųjų dažnių diapazone. Iš pradžių sukurti kaip labiau reaguojanti televizijos kamera, fotodaugintuvai dabar naudojami daugelyje programų.
Išradus puslaidininkius, vakuuminiai vamzdžiai buvo iš esmės pašalinti iš elektronikos pramonės, išskyrus fotodaugintuvą. Šiame įrenginyje vienas fotonas praeina pro langą arba priekinę plokštę ir atsitrenkia į fotokatodą – elektrodą, pagamintą iš fotoelektrinės medžiagos. Ši medžiaga sugeria šviesos fotono energiją tam tikrais dažniais ir išspinduliuoja elektronus, o tai vadinama fotoelektriniu efektu.
Šių skleidžiamų elektronų poveikis sustiprinamas taikant antrinės emisijos principą. Iš fotokatodo skleidžiami elektronai sufokusuojami į pirmąją elektronų daugiklio plokštelių seriją, vadinamą dinodais. Kiekviename dinode įeinantys elektronai sukelia papildomų elektronų išskyrimą. Atsiranda pakopinis efektas, o krintantis fotonas buvo sustiprintas arba aptiktas. Vadinasi, pavadinimo „fotodaugintuvas“ pagrindas – labai mažas vieno fotono signalas sustiprėja iki taško, kai jį galima lengvai aptikti srovės srautu iš fotodaugiklio vamzdžio.
Fotodaugintuvo vamzdžio spektriniai atsakai pirmiausia atsiranda dėl dviejų dizaino elementų. Lango tipas lemia, kokie fotonai gali patekti į įrenginį. Fotokatodo medžiaga lemia atsaką į fotoną. Kiti dizaino variantai apima vamzdžio galuose montuojamus langus arba šoninius langus, kuriuose fotonų srautas atsimuša nuo fotokatodo. Kadangi stiprinimą arba stiprinimą riboja antrinis emisijos procesas ir jis nedidėja didėjant pagreičio įtampai, buvo sukurti kelių pakopų fotodaugintuvai.
Fotokatodo atsakas priklauso nuo krintančio fotono dažnio, o ne nuo gautų fotonų skaičiaus. Jei fotonų skaičius didėja, generuojama elektros srovė didėja, tačiau skleidžiamų elektronų dažnis yra pastovus bet kokiam lango ir fotokatodo deriniui, o tai Albertas Einšteinas panaudojo kaip šviesos dalelių prigimties įrodymą.
Fotodaugintuvo vamzdžio stiprinimas svyruoja iki 100 milijonų kartų. Dėl šios savybės, kartu su mažu triukšmu arba nepagrįstu signalu, šie vakuuminiai vamzdžiai yra būtini aptinkant labai mažą fotonų skaičių. Ši aptikimo galimybė naudinga astronomijos, naktinio matymo, medicininio vaizdo gavimo ir kitais tikslais. Naudojamos puslaidininkinės versijos, tačiau vakuuminio vamzdžio fotodaugiklis geriau tinka šviesos fotonams, kurie nėra kolimuoti, aptikti, o tai reiškia, kad šviesos spinduliai nekeliauja lygiagrečiais vienas kitam.
Fotodaugintuvai pirmiausia buvo sukurti kaip televizijos kameros, kurios leido televizijos transliacijai ne tik studijuoti ryškiai apšviestus, bet ir natūralesnius nustatymus arba reportažus vietoje. Nors toje programoje jie buvo pakeisti su įkrovimu sujungtais įrenginiais (CCD), fotodaugintuvai vis dar yra plačiai nurodyti. Didžiąją dalį fotodaugintuvo vamzdžio kūrimo darbų XX amžiaus antroje pusėje RCA atliko įrenginiuose Jungtinėse Valstijose ir buvusioje Sovietų Sąjungoje. Pirmaisiais XXI amžiaus dešimtmečiais daugumą pasaulio fotodauginimo vamzdžių gamina Japonijos įmonė Hamamatsu Photonics.