在数字芯片设计领域，CMOS 反相器作为基础且关键的电路单元，其工作原理已被广泛探讨与熟知。此前曾有文章深入剖析过反相器的工作原理，但理论与实践存在一定距离。对于致力于芯片逆向工程的工程师和技术人员而言，能够迅速且准确地从复杂的芯片实物结构中识别出 CMOS 反相器，是一项极为重要的技能。

CMOS 反相器的基本原理

在芯片的微观世界中，CMOS 反相器通常由一个 P 型 MOSFET 和一个 N 型 MOSFET 组成。这两个晶体管的源极和漏极分别相连，形成一个互补对称的结构。当输入信号为低电平时，N 型 MOSFET 处于关闭状态，而 P 型 MOSFET 则导通，电流从电源流向输出端，使得输出端呈现高电平；反之，当输入信号为高电平时，P 型 MOSFET 关闭，N 型 MOSFET 导通，电流从输出端流向地，输出端呈现低电平。这种互补的工作方式使得 CMOS 反相器具有低功耗、高噪声容限以及快速开关速度等优点，广泛应用于各种数字电路中。

图 1 CMOS 反相器原理

逆向分析 CMOS 反相器实物

今天以一个实际的 CMOS 反相器实物为例，从逆向的角度出发，介绍其在芯片中的具体呈现形式，帮助读者在后续的逆向工程实践中，快速准确地判断出 CMOS 反相器，为深入分析芯片的整体架构和功能奠定基础。

TOP 层观察

如下是供分析的 CMOS 反相器实物图，进行了简单标注，并对芯片进行了去层处理以便更好理解。TOP 层可见 4 个 MOS，一个 NMOS 和一个 PMOS 组成一个反相器，PMOS 通常尺寸比 NMOS 大，以补偿其较低的载流子迁移率，实现平衡驱动。

图 2 TOP 层实物图

去除顶层金属后的观察

去除顶层金属后，可以更加清晰地看清楚 NMOS 和 PMOS 形貌及连线。MOS 管采用多指交错结构，栅极（G）位于源极（S）和漏极（D）之间。这种设计能有效增加晶体管宽度，提升电流驱动能力。

图 3 去除顶层金属后的实物图

功能分析

通过对晶体管连接的细致追踪，确认图像中是两个独立的 CMOS 反相器。以左侧单元为例：

1. NMOS 晶体管：栅极接输入信号（ In），源极接地（GND），漏极接 PMOS 漏极。
2. PMOS 晶体管：栅极同样接（In） ，源极接电源（VDD），漏极接 NMOS 漏极。
   
   图 4 功能分析图

总结来看，NMOS 和 PMOS 的栅极共用输入，源极分别接 GND 和 VDD，漏极相连形成输出。这正是标准 CMOS 反相器的典型配置，其功能是将输入信号进行逻辑反转。右侧单元结构与左侧完全一致，亦为独立反相器。

反相器与传输门的对比

以前上学时经常把反相器和传输门搞混，下面简单比较一下两者的区别。

图 5 反相器与传输门对比图
区分要点如下：

1. 栅极连接：反相器栅极共用输入；传输门栅极接互补控制信号。
2. 源漏极连接：反相器串联，输出在中间；传输门并联，信号直通。
3. 高阻态：传输门独有，反相器无此状态。