光电倍增管是建立在光电子发射效应、二次电子发射效应和电子光学理论的基础上，能够将微弱光信号转换成光电子并获得倍增效应的真空光电发射器件。利用外光电效应和二次电子发射相结合，把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增。
阴极在光照下发射出光电子，光电子受到电极间电场作用获得较大能量打在倍增电极上，产生二次电子发射，经过多极倍增的光电子到达阳极被收集而形成阳极电流，随光信号的变化。在倍增极不变的条件下，阳极电流随光信号变化。
光电倍增管的阴极一般都采用具有低逸出功能的碱金属材料所形成的光电发射面。光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或镁氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至300nm垢可见入射光，而其它3种玻璃材料则可用于对紫外区不可见光的探测。光电倍管的工作过程光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成光电倍管的工作过程当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子．在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射．每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子，这样就实现了电子数目的放大．D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2，……．这样的过程一直持续到一级倍增极Dn
每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有8～13个，一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集，其电子数目可达光阴极K发射光电子数的146倍以上．若将灵敏检流计串接在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流．若在阳极串接电阻RL作为负载，则可测量RL两端的电压，此电压正比于阳极电流．
造成非线性的原因
（1）内因，即空间电荷，光电阴极的电阻率，聚焦或收集效率等的变化；
（2）外因，光电倍增管的输出信号电流在负载电阻上的压降，对末级倍增极电压产生的负反馈和电压的再分配，都可能破坏输出信号的线性。
放大倍数很高，用于探测微弱信号；
光电特性的线性关系好；
工作频率高；
性能稳定，使用方便；
供电电压高；
玻璃外壳，抗震性差；
价格昂贵，体积大；
（a）阴极伏安特性在入射到光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流与阴极和倍增极之间的电压（称阴极电压）的关系曲线叫阴极伏安特性，经研究，在阴极电压较小时，阴极电流随着阴极电压的增大而增加，直到阴极电压大于一定值后，阴极电流才趋向饱和，且与入射光通量成线性关系。伏安特性
（b）阳极伏安特性在入射到光电倍增管阳极面上的光通量一定时，阳极电流与阳极和末级倍增极之间的电压（称阳极电压）的关系曲线叫阳极伏安特性。性质同阴极伏安特性。
不宜用强光，容易引起疲劳
额定电压和电流内工作
入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应
电场屏蔽和磁屏蔽
测交变光时，负载电阻不宜过大