在數(shù)字芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，CMOS 反相器作為基礎(chǔ)且關(guān)鍵的電路單元，其工作原理已被廣泛探討與熟知。此前曾有文章深入剖析過(guò)反相器的工作原理，但理論與實(shí)踐存在一定距離。對(duì)于致力于芯片逆向工程的工程師和技術(shù)人員而言，能夠迅速且準(zhǔn)確地從復(fù)雜的芯片實(shí)物結(jié)構(gòu)中識(shí)別出 CMOS 反相器，是一項(xiàng)極為重要的技能。

CMOS 反相器的基本原理

在芯片的微觀世界中，CMOS 反相器通常由一個(gè) P 型 MOSFET 和一個(gè) N 型 MOSFET 組成。這兩個(gè)晶體管的源極和漏極分別相連，形成一個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，N 型 MOSFET 處于關(guān)閉狀態(tài)，而 P 型 MOSFET 則導(dǎo)通，電流從電源流向輸出端，使得輸出端呈現(xiàn)高電平；反之，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，P 型 MOSFET 關(guān)閉，N 型 MOSFET 導(dǎo)通，電流從輸出端流向地，輸出端呈現(xiàn)低電平。這種互補(bǔ)的工作方式使得 CMOS 反相器具有低功耗、高噪聲容限以及快速開關(guān)速度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字電路中。

圖 1 CMOS 反相器原理

逆向分析 CMOS 反相器實(shí)物

今天以一個(gè)實(shí)際的 CMOS 反相器實(shí)物為例，從逆向的角度出發(fā)，介紹其在芯片中的具體呈現(xiàn)形式，幫助讀者在后續(xù)的逆向工程實(shí)踐中，快速準(zhǔn)確地判斷出 CMOS 反相器，為深入分析芯片的整體架構(gòu)和功能奠定基礎(chǔ)。

TOP 層觀察

如下是供分析的 CMOS 反相器實(shí)物圖，進(jìn)行了簡(jiǎn)單標(biāo)注，并對(duì)芯片進(jìn)行了去層處理以便更好理解。TOP 層可見 4 個(gè) MOS，一個(gè) NMOS 和一個(gè) PMOS 組成一個(gè)反相器，PMOS 通常尺寸比 NMOS 大，以補(bǔ)償其較低的載流子遷移率，實(shí)現(xiàn)平衡驅(qū)動(dòng)。

圖 2 TOP 層實(shí)物圖

去除頂層金屬后的觀察

去除頂層金屬后，可以更加清晰地看清楚 NMOS 和 PMOS 形貌及連線。MOS 管采用多指交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，柵極（G）位于源極（S）和漏極（D）之間。這種設(shè)計(jì)能有效增加晶體管寬度，提升電流驅(qū)動(dòng)能力。

圖 3 去除頂層金屬后的實(shí)物圖

功能分析

通過(guò)對(duì)晶體管連接的細(xì)致追蹤，確認(rèn)圖像中是兩個(gè)獨(dú)立的 CMOS 反相器。以左側(cè)單元為例：

1. NMOS 晶體管：柵極接輸入信號(hào)（ In），源極接地（GND），漏極接 PMOS 漏極。
2. PMOS 晶體管：柵極同樣接（In） ，源極接電源（VDD），漏極接 NMOS 漏極。
   
   圖 4 功能分析圖

總結(jié)來(lái)看，NMOS 和 PMOS 的柵極共用輸入，源極分別接 GND 和 VDD，漏極相連形成輸出。這正是標(biāo)準(zhǔn) CMOS 反相器的典型配置，其功能是將輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯反轉(zhuǎn)。右側(cè)單元結(jié)構(gòu)與左側(cè)完全一致，亦為獨(dú)立反相器。

反相器與傳輸門的對(duì)比

以前上學(xué)時(shí)經(jīng)常把反相器和傳輸門搞混，下面簡(jiǎn)單比較一下兩者的區(qū)別。

圖 5 反相器與傳輸門對(duì)比圖
區(qū)分要點(diǎn)如下：

1. 柵極連接：反相器柵極共用輸入；傳輸門柵極接互補(bǔ)控制信號(hào)。
2. 源漏極連接：反相器串聯(lián)，輸出在中間；傳輸門并聯(lián)，信號(hào)直通。
3. 高阻態(tài)：傳輸門獨(dú)有，反相器無(wú)此狀態(tài)。