光电倍增管是一个真空管，其中光电阴极吸收光产生自由电子，然后在高电压（几百伏）下被加速，在另一电极产生二次电子，最后形成光电流。由于这一雪崩过程，光电流比光电二极管中的电流大好几个数量级。因此，光电倍增管可以用于单光子计数。光电倍增管灵敏度很高，带宽很大（>1GHz），并且在很大动态范围内具有很好的非线性。 

光电倍增管的缺点在于尺寸大（与光电二极管相比），成本高，需要高电压，并且有些情况下量子效率较低（通常<25%，甚至有时<1%）。 

一种尺寸很小的光电倍增管是微通道光电倍增管，其中在掺杂玻璃中具有单片的管子。由于尺寸很小，因此可以将多个通道集成一起形成二维的阵列来实现很大的探测带宽。 

有些情况下，可以用雪崩二极管代替光电倍增管，前者也是利用了放大机制，但是放大发生在固态材料中，而不是在真空管中。采用包含很多雪崩二极管的阵列可以得到很大的有源区面积；这一器件有时被称为硅光电倍增管。与光电倍增管相比，硅光电倍增管更加便宜，成本更低，结构更稳固。并且通常具有更高的量子效率，但是也具有更高的放大噪声。 

还有一种混合光电倍增管，其中电子从一个光电极产生然后在几千伏的电压下被加速到半导体芯片上，它类似于雪崩二极管。电子撞击半导体会形成电子轰击增益，然后形成雪崩放大。这一器件与普通的光电倍增管速度相似，并且脉冲振幅分辨率提高。并且，其响应时间很短，尺寸小。它们可应用在与光电倍增管相似的领域，包括光子计数。 

在雪崩二极管中增大有源区面积可以将多个像素点紧密排列在同一个芯片上来实现。这一器件有时也被称为固态光电倍增管或者硅光电倍增管。