Un convertisseur thermoïonique repose sur l'émission d'électrons par effet thermoïonique au niveau d'une électrode chauffée en direction d'une électrode plus froide à travers une barrière de potentiel afin de produire un courant électrique par conduction à travers un plasma entre les électrodes. Ce courant électrique a une intensité typiquement de plusieurs ampères par centimètre carré d'électrode émettrice et permet d'alimenter un système sous une tension typique de 0,5 à 1 V avec une efficacité énergétique de 5 à 20 % selon la température de l'émetteur (1 500 à 2 000 K) et le mode de fonctionnement.